Brevet FR2540253A1 — publié le 19840803

"Appareil d'exploration magnétique pour trou de forage" La présente invention est relative à des mesures magnétiques dans un trou de forage. On sait que lton peut descendre un magnétomètre dans un trou de forage pour y observer par exemple d'éventuelles perturbations impor tantes du champ magnétique terrestre. Mais- lorsqu'on veut être renseigné sur l'aimantation naturelle des diverses couches de terrain traversées par un trou de forage, on doit prélever une multitude d'échantillons de terrain, les remonter à la surface et procéder à une minutieuse analyse magnétique de ces échantil - lons au moyen de volumineux appareils de mesure installés dans des labo ratoires. Ces opérations sont longues et coûteuses. La présente invention a pour objet un appareil d'exploration magnétique adapté à être descendu dans un trou de forage et permettant par effet différentiel d'éliminer l'influence sur l'appareil de l'induction due - au champ magnétique terrestre et de n'apprécier que l'induction due à des sources proches, ctest-à-dire au terrain adjacent, ce qui permet notamment d'avoir une information continue sur l'aimantation naturelle des terrains successivement rencontrés en déplaçant l'appareil le long du trou de forage. Un objet de l'invention est ainsi un appareil d'exploration magné tique pour trou de forage, de forme générale allongée selon un axe destiné à être placé sur l'axe du trou de forage, comprenant axialement une par tie supérieure qui contient des organes de conversion de grandeurs élec triques et qui est munie d'un câble électrique pour la transmission dtinfor- - mations à la surface située au-dessus de ce trou de forage et une partie inférieure, d'exploration, reliée à ladite partie supérieure par des moyens de jonction et connexion, caractérisé en ce que ladite partie inférieure forme un cryostat rempli d'un fluide cryogénique et contenant au moins un magnétomètre cryogénique monté en gradiomètre. On a, en effet, trouvé que des magnétomètres cryogéniques peuvent présenter un encombrement compatible avec leur installation dans un cryostat de dimensions réduites apte à être déplacé dans un trou de forage et que le montage en gradiomètre, c'est-à-dire avec au moins une bobine de mesure d'induction à spires supraconductrices à effet différen tiel, permet l'élimination de l'influence d'actions dues à des sources lointaines telles que le champ magnétique terrestre, des perturbations de surface et des cuvelages métalliques éventuellement placés dans une portion supérieure du trou de forage. - Suivant les utilisations, le magnétomètre cryogènique ou chaque magnétomètre cryogénique est monté en gradiomètre du premier ordre, du deuxième ordre ou même d'ordre supérieur. Pour obtenir une analyse fine de l'aimantation naturelle des roches bordant un trou de forage, on dispose dans le cryostat une - pluralité de gradiomètres orientés dans des directions différentes et mesurant des gradients selon des directions différentes. Un objet de l'invention consiste en ce que le cryostat contient un magnétomètre cryogénique muni d'une bobine de mesure d'induction ayant au moins une paire de spires supraconductrices identiques, reliées - en série et en opposition, coaxiales à l'appareil de mesure et placées dans deux plans qui sont perpendiculaires à l'axe de l'appareil de mesu re et qui sont séparés l'un de l'autre par un décalage axial. Un objet de l'invention consiste aussi en ce que le cryostat contient un magnétomètre cryogénique muni d'une bobine de mesure - d'induction ayant au moins une paire de spires supraconductrices identi ques reliées en série et en opposition, situées dans un même plan axial et séparées l'une de l'autre par un décalage axial. Un objet de l'invention consiste encore en ce que le cryostat contient un magnétomètre cryogénique muni d'une bobine de mesure - d'induction ayant au moins une paire de spires supraconductrices identi ques reliées en série et en opposition, situées dans deux plans parallèles entre eux, séparés l'un de l'autre par un décalage dans une direction perpendiculaire à ces plans. Le cryostat contient de préférence une pluralité de magnéto mètres cryogéniques comprenant chacun une bobine de mesure d'induction à action différentielle et une sonde de mesure de faibles courants reliée à cette bobine et les bobines sont disposées dans la partie inférieure du - cryostat tandis que les sondes de mesure de faibles courants sont grou pées dans la partie supérieure du cryostat. On va décrire, à titre non limitatif, un exemple de réalisation de l'invention qui fera ressortir d'autres caractéristiques de celle-ci, en se référant au dessin joint dans lequel - La Fig 1 est une vue schématique en élévation de. l'appareil d'exploration magnétique relié à des organes d'analyse situés à la surface d'un puits La Fig 2 est un schéma d'un magnétomètre cryogénique utilisé dans l'appareil d'exploration magnétique; - La Fig 3 est une vue schématique en élévation, à plus grande échelle, du cryostat de l'appareil d'exploration de la Fig 1 La Fig 4 représente schématiquement en perspective trois bobines de mesure d'induction ; et La Fig 5 représente schématiquement en perspective deux - autres bobines de mesure d'induction. Sur la Fig 1, un appareil d'exploration magnétique 1 comprend une partie supérieure 2 et une partie inférieure. 3 raccordées l'une à l'autre par une partie intermédiaire 4 de jonction et connexion. La partie inférieure 3 est constituée par un cryostat que l'on voit mieux sur la Fig - 3 et qui, rempli d'un fluide cryogénique, contient une pluralité de magné tomètres cryogéniques montés en gradiomètres. Dans l'exemple donné le cryostat contient cinq magnétomètres cryogéniques du type représenté très schématiquement sur la Fig 2 ét dont on précisera la réalisation à l'aide des Fig 4 et 5. Sur la Fig 2 on a représenté un magnétomètre 5 comprenant une bobine de mesure d'induction 6, reliée par des conducteurs 7 à une sonde de mesure 8 dite "SQUID" (supraconducting Quantum Interference Device) qui constitue un galvanomètre très sensible de mesure du courant induit dans la bobine 6. On a simplement représenté dans la sonde 8 une bobine 9 de création de flux magnétique à partir du courant induit dans la bobine 6 et un anneau supraconducteur 10 interrompu par un microbout 11. La bobine 6 comporte deux spires identiques 12 et 13 montées en série et en opposition et séparées par un décalage 14 dont la direction est celle - selon laquelle le magnétomètre 5 mesure un gradient de champ magnétique. Sur la Fig 3, le cryostat constituant la partie inférieure 3 de l'appareil d'exploration magnétique est formé par une double paroi 15 en une résine synthétique renforcée par des fibres, à l'intérieur de laquelle est disposé un écran thermique 16. Cette double paroi 15 délimite intérieu - rement une enceinte cylindrique dans la partie inférieure de laquelle on a installé les bobines de mesure d'induction montées sur trois blocs en matière électriquement isolante, par exemple en matière plastique : 17, 18 et 19 et dans la partie supérieure de laquelle les sondes SQUID reliées à ces bobines d'exploration ont été groupées dans un ensemble 20. - Au-dessus de l'ensemble 20, on a disposé une succession d'écrans thermi ques 21 qui isolent vers le haut l'enceinte interne au cryostat. Un câble coaxial 22 assure la transmission des signaux électriques émis par les magnétomètres vers la partie supérieure 2 de l'appareil d'exploration. Le sommet de la partie inférieure 3 comporte des moyens de jonction mécani - que et de connexion électrique démontables pour la liaison avec la partie intermédiaire 4 et la partie supérieure 2. Ces moyens n'ont pas été représentés car ils sont en eux-mêmes classiques. De même, on n a pas représenté la soupape installée au sommet de la partie inférieure 3 pour permettre l'évaporation de l'hélium lorsque l'hélium liquide est utilisé - comme fluide cryogénique et interdire toute entrée de milieu extérieur dans le cryostat. Une variante pourrait par ailleurs consister à relier le cryostat à la surface par un petit conduit flexible. La partie supérieure 2 visible sur la Fig 1 contient des ampli ficateurs à fréquence radio et des convertisseurs d'analogique en numé rique pour traiter les signaux transmis par les magnétomètres contenus dans le cryostat de la partie inférieure 3. Comme on le voit sur la Fig 1, la partie supérieure 2 est munie d'un câble électrique 23 qui est en même temps un câble porteur pour l'appareil d'exploration 1 et qui transmet les signaux électriques mis en forme dans la partie supérieure 2 de l'appareil d'exploration 1 à une installation de traitement 24 disposée à la surface. On a figuré dans - cette installation de traitement une première voie comprenant un premier filtre 25 relié à un appareil 26 donnant directement les gradients de champ magnétique détectés et une deuxième voie comprenant la succession d'un intégrateur 27, d'un deuxième filtre 28 et d'un appareil 29 donnant des informations sur le champ magnétique détecté, c'est-à-dire sur l'aimantation naturelle des roches. Sur la Fig 4, on a représenté ensemble des blocs 17 et 18 sur lesquels des spires ont été formées par insertion de fils supraconducteurs dans des gorges ou, de préférence, par dépôt d'un métal supraconduc teur tel que par exemple du niobium ou du plomb. Pour définir les directions, on supposera que le trou de forage est vertical et que l'axe de l'appareil d'exploration est donc vertical. L'ensemble des deux blocs 17 et 18 porte trois bobines d'explo ration formées chacune d'une spire portée par le bloc 17 et d'une spire portée par le bloc 18, les deux spires d'une même bobine étant séparées - par un décalage axial égal au décalage axial 30 existant entre les blocs 17 et 18. Ces bobines mesurent donc chacune un gradient selon une direction verticale d'une composante de champ magnétique et les compo santes choisies sont la composante verticale Hz selon l'axe z qui est celui de l'appareil et deux composantes horizontales orthogonales Hx, Hy selon - des axes x et y. La bobine de détection du gradient de Hz selon la direction verticale se compose d'une spire horizontale 31 portée par le bloc 17 et d'une spire horizontale identique 32 portée par le bloc 18, reliées en série et en opposition par des fils de jonction parallèles et verticaux 33. La bobine de détection du gradient de Hx selon la direction verticale se compose d'une spire verticale 34 disposée dans un plan perpendiculaire à l'axe x et portée par le bloc 17 et d'une spire verticale identique 35 disposée dans le même plan perpendiculaire à l'axe x et portée par le bloc 18, reliées en série et en opposition par des fils de jonction parallèles et verticaux 36. La bobine de détection du gradient de Hy selon la direction verticale se compose de spires 37 et 38 analogues respectivement aux spires 34 et 35 mais placées dans un même plan vertical perpendiculaire à l'axe y et reliées de même par des fils de jonction parallèles et verticaux 39. Le bloc 19, visible sur le Fig 5, porte deux bobines, réalisées de la même manière que les bobines 31, 32-34, 35-37, 38, permettant l'une de détecter le gradient de Hx par rapport à la direction de l'axe x - et constituée de deux spires identiques 40 et 41 situées dans des plans verticaux parallèles perpendiculaires à la direction de l'axe x et distants d'un décalage 42 selon la direction de l'axe x, et reliées en série et en opposition par des fils de jonction parallèles 43 ; l'autre de détecter le gradient de Hy par rapport à la direction de l'axe y et constituée de - deux spires identiques 44 et 45 situées dans des plans verticaux paral lèles perpendiculaires à la direction de l'axe y et distants d'un décalage 46 selon la direction de l'axe y, et reliées en série et en opposition par des fils de fonction parallèles 47.Le montage des bobines 40, 41 et 44, 45 sur un bloc séparé 19 évite le risque d'interférences avec les bobines - 31, 32-34, 35 et 37, 38. La détection de gradients de champ magnétique permet en fait, lorsqu'il s'agit d'une source de champ magnétique rappochée, d'avoir une information sur ce champ lui-même, c' est-à-dire sur l'aimantation des roches avoisinantes. Cette aimantation naturelle se composant d'une aimantation rémanente fossile et d'une aimantation induite par le champ magnétique terrestre actuel, il est possible de déduire, d'une pluralité de composantes du champ magnétique dû à l'aimantation naturelle des -roches, des informations propres à l'aimantation rémanente fossible et en particulier de déterminer les inversions de cette aimantation. En général, des gradiomètres du premier ordre suffisent pour effectuer les discriminations recherchées, mais l'invention s'applique aussi bien à des magnétomètres cryogéniques montés en gradiomètres d'ordre plus élevé. Revendications - 1 - Appareil d'exploration magnétique pour trou de forage, de forme générale allongée selon un axe destiné à être placé sur l'axe du trou de forage, comprenant axialement une partie supérieure (2) qui contient des organes de conversion de grandeurs électriques et qui est munie d'un câble électrique (23) pour la transmission d'informa -tions à la surface située au-dessus de ce trou de forage et une partie inférieure (3), d'exploration, reliée à ladite partie supérieure (2) par des moyens de jonction et connexion (4), caractérisé en ce que ladite partie inférieure (3) forme un cryostat (15) rempli d'un fluide cryogénique et contenant au moins un magnétomètre cryogé -nique monté en gradiomètre (5). 2 - Appareil d'exploration selon la revendication 1, caractérisé en ce que le cryostat (15) contient un magnétomètre cryogénique muni d'une bobine de mesure d'induction ayant au moins une paire de spires supraconductrices identiques (31, 32) reliées en série et en opposi - tion (33), coaxiales à l'appareil de mesure et placées dans deux plans qui sont perpendiculaires à l'axe de l'appareil de mesure et qui sont séparés l'un de l'autre par un décalage axial (30). 3 - Appareil d'exploration selon la revendication 1, caractérisé en ce que le cryostat (15) contient un magnétomètre cryogénique muni d'une - bobine de mesure d'induction ayant au moins une paire de spires supraconductrices identiques (34, 35) reliées en série et en opposi tion (36), situées dans un même plan axial et séparées l'une de '1' autre par un décalage axial (30). 4 - Appareil d'exploration selon la revendication 1, caractérisé en ce que -le cryostat (15) contient un magnétomètre cryogénique muni d'une bobine de mesure d'induction ayant au moins une paire de spires supraconductrices identiques (40, 41) reliées en série et en opposi tion (43), situées dans deux plans parallèles à l'axe de l'appareil d'exploration et parallèles entre eux, séparés l'un de l'autre par un - décalage (42) dans une direction perpendiculaire à ces plans. 5 - Appareil d'exploration selon la revendication 1, caractérisé en ce que, le cryostat 15 contenant une pluralité de magnétomètres cryogé niques qui comprennent chacun une bobine de mesure d'induction à action différentielle (31, 32-34, 35-37, 38-40, 41-44, 45) et une sonde de mesure de faibles courants (8) reliée à cette bobine, les bobines sont disposées dans la partie inférieure du cryostat (17, 18, 9) tandis que les sondes de mesure de faibles courants sont groupées dans la partie supérieure (20) du cryostat. 6 - Appareil d'exploration selon la revendication 5, caractérisé en ce - que, le cryostat 15 contenant une première classe de magnétomètres cryogéniques montés chacun pour apprécier le gradient, considéré selon l'axe de l'appareil, d'une composante de champ magnétique, les bobines (31, 32-34, 35-37, 38) de cette première classe de magnéto mètre s sont montées ensemble sur deux blocs électriquement isolants - (17, 18) séparés par un décalage axial (30). 7 - Appareil d'exploration selon la revendication 6, caractérisé en ce que, le cryostat 15 contenant aussi une deuxième classe de magnéto mètre s cryogéniques montés chacun pour apprécier le gradient, considéré selon un axe perpendiculaire à celui de l'appareil, d'une - composante de champ magnétique dirigée selon cet axe perpendiculaire, les bobines (40, 41-44, 45) de cette deuxième classe de magnétomètres sont montées sur un même bloc électriquement isolant (19) distant axialement desdits deux blocs électriquement isolants (17, 18) et placé en dehors de l'intervalle compris entre ceux-ci.