Brevet FR2561395A1 — publié le 19850920

La présente invention concerne un dispositif de mesure en forage pour recevoir des signaux radar comportant un en- semble d'antenne qui fait partie d'un corps de sonde et dont le diagramme directionnel permet, en relation avec un appa- reil de traitement relié à l'ensemble d'antenne, de dériver des valeurs de mesure caractérisant la direction d'incidence à partir des signaux reçus. Les systèmes typiques de radar en forage opèrent avec des ondes électromagnétiques dans les domaines des ondes courtes et des ondes ultracourtes. Pour ces lon- gueurs d'ondes, le diamètre de forage disponible est très petit par rapport a la longueur d'onde. Ce fait a, jusqu'à maintenant, empêché l'utilisation d'ensembles d'antennes à action directionnelle horizontale. Dans les sondes classiques on a utilisé jusqu' à maintenant seulement des antennes à di- pôles, qui ont une caractéristique de radiation circulaire dans la plan horizontal et avec lesquelles on utilise, le cas échéant, des dipôles repliés, cf. le brevet US 3 286 163. Lorsqu;on utilise des antennes plus compliquées, par exemple une conception Yagi, cf. fig. 4 du brevet US 3 286 163, on suppose alors que les parties d'antenne peuvent être sorties télescopiquement, de sorte qu'elles font saillie de la forme cylindrique proprement dite de la sonde. Un tel agencement d'antenne suppose des forages dont le diamètre dépasse la cote habituelle, dans le cas o l'utilisation n'est pas limitée a des zones élargies d'un forage normal. Dans le plan vertical, on peut obtenir une indi- $ cation de direction pour les signaux radar reçus en effec- tuant des mesures dans une série de points de mesure se succédant sur la verticale. Pour la résolution verticale de direction, il n'est par conséquent pas nécessaire d'avoir une antenne directionnelle, bien que celle-ci puisse être réalisée d'une manière simple. En outre, il est a noter que, pour des raisons physiques, on ne peut pas obtenir avec des détecteurs électriques de champ dans des forages étroits une concentration directionnelle efficace car une détermination de direction ne peut être déduite que de l'information de différence entre au moins deux détecteurs qui, dans le champ d'ondes, doivent être écartés l'un de l'autre de la fraction décelable d'une longueur d'onde. Des antennes a cadres sont utilisées déjà depuis longtemps sous la forme de ce qu'on appelle des cadres radio- goniométriques ou des installations de réception directionnelle dans la technique radio, cf. par exemple, "Handbuch fur Hochfrequenz- und ElektroTechniker', Vol. II, 1953, pages 489 et 490. A cause des tensions induites relativement faibls ces cadres sont réalisés sous forme d'appareillages sélection- nés pour une réception en bande étroite de fréquences por- teuses déterminées. La tension induite dans une antenne à cadre est proportionnelle à la surface du cadre, à la fréquence et au cosinus de l'angle d'incidence du front d'onde. Des antennes à cadres présentent à la différence du diagramme de radiation circulaire d'an- tennes à tiges et à djp8les, dans une direction horizontale, un dia- gramme en double cercle comportant 2 positions de zéro définies. Par une combinaison adaptée correctement, d'une antenne à dipole et d'une anten- ne à cadre, il est possible d'obtenir un diagramme en cardioide avec seulement un p8le, c'est-à-dire une position de zéro. Pour une détermination d'une direction d'incidence, le cadre radio-goniométrique est tourné autour de l'axe ver- tical jusqu'à ce qu'on puisse établir uneposition de zéro. Cette radio-goniométrie dite à minimum fournit, à cause de la caractéristique à forte pente des positions de zéro, les résultats les plus précis. Lorsqu'un cadre radio-goniométrique rotatif ne peut pas être installé pour des raisons de cons- truction ou électriques, on utilise a l'heure actuelle un cadre croisé fixe en coopération avec un goniomètre électrique. Avec un tel goniomètre, le champ du cadre récepteur à croise- ment orthogonal est produit par deux bobines se croisant orthogonalement et dont le volume intérieur contient une bobine tournante qui sert de bobine de détection. La rotation de la bobine de détection simule une rotation de l'ensemble d'antenne à cadre. Ces ensembles connus d'antennes à cadres peuvent avantageusement être utilisés pour la détermination de la direction d'incidence de fréquences porteuses distinctes. La combinaison, utilisée pour une détermination nette de direction, d'un cadre radio-goniométrique avec une antenne auxiliaire de réception circulaire nécessite un accord très précis du système et suppose des fréquences porteuses tempo- rellement stables. Ces procédés et dispositifs connus depuis long- temps dans la technique radio n'ont pas pu être utilisés jusqu'à maintenant pour un procédé de mesure en forage pour des raisons de place. Le problème consistant à adapter un tel dispositif pour l'utilisation dans un procédé de mesure en forage est résolu essentiellement conformément à l'inven- tion en ce qu'il est prévu une bobine rectangulaire à cadre dont l'axe longitudinal coincide sensiblement avec 1 'axe longitudinal du corps de sonde et dont des parties de conducteurs parallèles à l'axe longitudinal sont disposées sur la surfaoe extérieure du corps de sonde. Selon d'autres particularités de l'invention: 1. Des parties de conducteurs parallèles à l'axe longitudinal sont logées dans des rainures aplaties qui sont fonrées dans la surface extérieure du corps de sonde. 2. Le corps de sonde se coEpose d'une matière isolante. 3. Il est prévu un cadre en croix. 4. Les parties de conducteurs parallèles à l'axe longitudinal du corps de sonde sont reliées, à l'extrnité opposée au raccorde- ment avec un appareil récepteur, par un anneau extérieur comntm aux deux parties du cadre en croix. 5. LEs liaisons transversales entre les parties de conducteurs parallèles à l'axe longitudinal pénètrent au toyen de traversées étanches à la pression dans le volume intérieur du corps de sonde. 6. L'ensemble d'antenne ccrprend une antenne ayant une caractéristique de réception circulaire et qui est disposée coaxia- lemnt à l'axe du cadre en croix. 7. Le conducteur d'alimoentation de l'antenne à caractéristique de réception circulaire est guidé au travers d'un tube suivant l 'axe du cadre en croix et les liaisons transversales des parties de conducteurs parallèles à 1 'axe longitudinal sont disposées annu- laires autour du tube. 8. L'antenne à cadre est un double cadre étagé et forme simultanément, au moyen d'un réseau de découplage, l'antenne à caractéristique de réception circulaire. 9. Le volume intérieur de l'antenne à cadre contient un corps cylindrique formé d'un matériau magnétique de haute permeabilité. Bien que les dimensions de forages classiques donnent peu d'espace pour la réalisation d'ensembles d'an- tennes exploitables, l'invention permet une utilisation opti- male de ce volume en vue de l'obtention de résultats exploi- tables. Ce résultat est obtenu bien que les signaux dont la direction d'incidence doit être déterminée soient des trains d'ondes très courts et relativement compliqués. La résolution suivant la verticale est alors possible malgré un fort étalement de la direction d'incidence de lamanière indiquée ci-dessus. Le terme "verticale" est utilisé dans ce cas en ce qui concerne des forages verticaux qui inter- viennent le plus en pratique. L'invention peut naturellement être également appliquée à des forages qui s'écartent de la verticale qui sont même orientés horizontalement. Par rapport à l'art antérieur, on obtient une amélioration importante. - D'autres caractéristiques et avantages de l'in- vention seront mis en évidence, dans la suite de la descrip- tion, donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 est une représentation simplifiée d'une forme de réalisation de principe de l'invention, y compris les parties de circuit logées dans la sondes la figure 2 est une représentation, correspon- dant à la figure 1, d'un ensemble d'antenne permettant une détermination nette de direction des composantes horizontales, la figure 3 est une représentation des trajets de signaux dans un ensemble d'antenne conforme à la fig. 2; la fig. 4 montre une autre amélioration de l'ensemble d'antenne, y compris les éléments de circuit contenus dans la sonde; et la fig. 5 montre un exemple du procédé de traite- ment utilisé pour une détermination de direction d'incidence. Un corps de sonde 10 représenté seulement en partie par son contour sur la fig. 1, contient une antenne à cadre en croix 2 de manière que les conducteurs verticaux de bobines 11 soient disposés sur la surface extérieure du corps de sonde, notamment dans des rainures aplaties ména- gées dans le corps de sonde 1 formé d'un matériau isolant Les liaisons transversales entre les conducteurs verticaux de bobines 11 passent dans des traversées 12 étanches à la pression pour pénétrer dans la cavité intérieure du corps de sonde 1. L'extrémité de bobine, court-circuitée électriquement, peut être raccordée en commun pour les deux bobines par un anneau extérieur conducteur 13, qui est logé de même que les conducteurs verticaux de bobines dans la surface extérieure du corps de sonde 1. Les antennes à cadres reliées ainsi à une antenne à cadre en croix 2 sont des antennes rectangulaires fortement allongées dont la largeur de bobine est déterminée par le diamètre maximal de la sonde. Les extrémités de la paire de bobines sontadaptées par l'intermédiaire de transformateurs de symétrie 144, 14b sur des conducteurs coaxiaux asymétriques 15a, 15b. Un relais électronique de commutation 16 permet de relier sélectivement les deux conducteurs coaxiaux par l'intermé- diaire du conducteur 16, à l'appareillage récepteur, non représenté en détail, installé en surface, et dans lequel les signaux sont enregistrés successivement et sont traités par un procédé qui sera décrit dans la suite. Les cadres de l'ensemble a cadres en croix 2 ne contiennent chacun qu'un enroulement et ne sont pas ac- cordés mais leur réactance inductive est à peu près adaptée à l'impédance de câble pour la bande centrale de fréquence attendue. Grâce à la sollicitation ohmique produite par l'in- termédiaire de l'entrée d'amplificateur, les cadres sont par conséquent adaptés en puissance dans une large bande. Du fait que le diagramme directionnel d'une antenne à cadre et une courbe en forme de "8" ou en forme de doub-le cercle, la détermination de direction avec l'antenne de la fig. 1 est bivalente, c'est-à-dire qu'on obtient deux indi- cations qui diffèrent de1800. Pour la détermination exacte, il est nécessaire d'effectuer une mesure additionnelle. L'agencement de la fig. 2 permet une détermination univoque de direction. Le cadre en croix 20 est complété par une antenne de réception circulaire 21 additionnelle. Cette antenne 21 en forme de tige est avantageusement un dipble alimenté asymétriquement ou bien une antenne & capot d'arrêt. Dans l'ensemble d'antenne de la fig. 2, le c&ble d'alimentation de l'antenne de réception circulaire 21 est guidé au travers d'un tube 23 au centre du cadre en croix 20. Il s'agit dans ce cas avantageusement d'un tube métall4ue conducteur qui, pour des raisons de symétrie de la caracté- ristique du cadre, passe exactement de façon centrée sur l'axe longitudinal du cadre. Les liaisons transversales 24 des conducteurs latéraux de cadre 22 sont avantageusement établies d'une manière simple par l'intermédiaire d'un anneau de guidage 25 du tube métallique 23. En conséquence, on évite efficacement une influence mutuelle des deux sys- tèmes partiels 20, 21 de l'ensemble d'antenne, et la ca- ractéristique directionnelle du cadre en croix 20 est main- tenue de façon non perturbée. Du fait que les signaux engen- drés dans les antennes du cadre en croix 20 sont déphasés conformément à la loi d'induction, de 90 par rapport au champ électrique sollicitant l'antenne de réception circu laire 21, un coupleur hybride en quadrature 26 est branché dans le conducteur d'alimentation de l'antenne de réception cir- culaire 21. Le troisième bras 27 de ce coupleur en T 26 peut être soit fermé au moyen d'une résistance d'impédance, soit utilisé comme une source de signaux de déclenchement pour l'appareillage récepteur, comme indiqué. En dehors du signal de déclenchement, qui sert de référence temporelle pour toutes les réceptions, il est possible d'appliquer par l'intermédiaire de deux relais coaxiaux 28, 29 de l'appareillage de réception représenté, sélectivement le signal provenant de l'antenne de réception circulaire 21 ou bien un des deux signaux orthogonaux du cadre. L'agence- ment avec les transformateurs de symétrie 14a, 14b corres- pond à celui de la fig. 1. Dans une application pratique, on obtient, par un espacement entre l'antenne de réception circulaire 21 et l'antenne à cadre 20, la structure de réception repré- sentée sur la fig. 3. L'antenne émettrice proprement dite 30 est placée dans une position séparée axialement de l'en- semble d'antenne formé par l'antenne à cadre 20 et l'antenne de réception circulaire 21, et elle est logée en dessous de l'ensemble récepteur dans le même corps de sonde. La configuration géométrique représentée sur la figure 3, dans laquelle les trains d'ondes partant de l'antenne émet- trice 30 sont réfléchis sur les réflecteurs R1 et R2, fait en sorte que les réflexions, qui sont reçues par RI et R2 en 20 et 21, présentent des différences correspondantes de temps de parcours. Ces différences de temps de parcours, qui sont indiquées sur la figure 3 par At par rapport à un rayon central doivent être déterminées pour chaque réflexion individuelle et être corrigées. La figure 4 représente un ensemble d'antenne en- core amélioré 40 comportant des parties de circuit associées qui sont logées dans le corps de sonde. Dans cet ensemble d'antenne amélioré, il n'est pas nécessaire de déterminer postérieurement la différence de temps de parcours et d'ef- fectuer une correction correspondante car les parties de l'ensemble d'antenne 40 sont réunies de telle sorte qu'elles présentent un point électrique central commun. L'ensemble d'antenne 40 se compose de deux cadres en croix étagés 401, 402, qui sont reliés par l'intermédiaire d'un circuit de dé- couplage 50 de manière que les deux structures de cadres 401, 402 puissent aussi être utilisées comme des moitiés d'une antenne de réception circulaire à dipôle. Le circuit de découplage 50 contient des trans- formateurs de symétrie 41, 42 pour le cadre en croix inférieur 401, et 43, 44 pour le cadre en croix supérieur 402. Les sorties des cadres partiels placés dans les mêmes plans, c'est-à-dire des sorties des transformateurs 41, 44 d'une part, et 42 et 43 d'autre part, sont additionnées par l'inter- médiaire d'un transmetteur de sommation respectif 46, 47 et sont appliquées aux deux sorties de cadres orthogonales classiques. Les milieux des enroulements primaires des transformateurs 41, 42 a1 cadre en croix inférieur 401 et 43, 44 du cadre en croix supérieur 402 sont reliés à l'en- roulement primaire d'un autre transformateur de symétrie 45 de façon inversée. On obtient ainsi à la sortie du transformateur la force électromotrice électrique différentielle entre les deux cadres en croix, qui agissent ainsi comme une antenne a dipôle. Les réseaux d'adaptation sont disposes en étant centres électriquement entre les deux cadresen croix, comme le montre schématiquement la figure 4.Les conducteurs de sortie sont avantageusement sortis d'un côté au moyen d'un tube 48 en passant initialement dans l'axe de l'appareil- lage récepteur proprement dit, de la même manière-que dans l'agencement de la fig. 2. Cela permet un logement correct de l'ensemble d'antenne dans des corps de sondes, qui con- viennent pour des forages étroits. Dans le cas de sondes de forages de gros calibre, il est possible que l'inductance de la surface du cadre ré- sultant de la longueur nécessaire du dipôle prenne des valeurs qui sont trop grandes pour effectuer un accord en large bande exempt de résonance. Les cadres proprement dits 401, 402 peuvent alors être réalisés plus courts et être pourvus de prolongements centraux 49, qui viennent s'adapter sur les points neutres de liaison de cadre 403, 404 et qui permettent d'opérer, malgré le raccourcissement du cadre proprement dit, avec des dipôles électriques de longueur optimale. Pour la transmission ultérieure des signaux d'antenne, il est prévu l'agencement de relais représentés sur la fig. 2 et comportant des coupleurs hybrides à 90 Pour l'agencement d'antenne de la fig. 4, à cause de l'agencement de construction, les points-milieux de l'antenne à cadre et de l'antenne de réception circulaire coincident exactement, de sorte qu'il n'est pas nécessaire d'effectuer les correc- tions de temps de parcours. Les cadres en croix décrits ci-dessus sont chacun fixés dans le corps de sonde. Pour la détermination d'une direction, il n'est pas nécessaire de faire tourner le cadre. Il suffit d'établir l'orientation géographique de la sonde pour chaque point de mesure afin de permettre une détermi- nation de la direction d'incidence des couches réfléchissantes en coordonnées géographiques. A cet effet, il est prévu par exemple dans le corps de sonde un système & compas magnétique dont l'indication est enregistrée pour chaque point de mesure et est transmise électriquement au dispositif récepteur installé à la surface. De tels systèmes à compas magnétiques sont connus en soi. En dehors de l'information de compas, on obtient en chaque point de mesure avec les formes de réalisation-des fig. 2 et 4: a) les valeurs de réception de l'antenne de réception circulaire, b) les valeurs de réception d'une antenne a cadre, et c) les valeurs de réception de l'antenne à cadre disposée orthogonalement. A partir de ces données, on peut obtenir l'infor- mation de direction pour un angle de rotation quelconque et admis théoriquement d'une antenne à cadre par une addition vectorielle des tensions de réception. Au moyen d'un calcu- lateur à raccorder à l'appareillage récepteur et utilisé pour le trai- tement, il est possible de simuler une rotation de l'antenne à cadre d'échelons angulaires quelconques tel que ceux qui pourraient être effectués dans le cas d'une antenne à cadre pouvant tourner mécani- quement pendant la réception. Le procédé connu d'après la technique radio et consistant à obtenir par un couplage, correct en phase, du signal de réception d'une antenne de réception circulaire avec les signaux du cadre disposés coaxialement à celui-ci, une cardioide comportant une position de zéro nettement dé- finie, n'est en principe pas applicable aux signaux en forme d'impulsions à large bande des échos d'un radar. Une condition essentielle de superposition des signaux consiste dans l'ob- tention d'un profil aussi identique que possible pour les formes d'impulsions des deux signaux d'antennes. Cela est obtenu en principe avec les signaux sinusoidaux & bande étroite qui sont classiques dans le domaine radio. Du fait de laforme complexe des signaux radar, on ne peut en pratique pas obtenir une concordance des caractéristiques des deux types d'antennes afin de pouvoir détecter correctement une extinction complète dans une position de zéro définie. Par contre, le déphasage relatif des trains de signaux peut en principe être déterminé correctement. Pour le traitement, il est recommandé pour cette raison de déterminer initialement pour chaque traind'impulsions de réflexion, au moyen de l'information d'antenne à cadre, l'angle d'une des deux positions de zéro qui appartiennent au diagramme directionnel du cadre. Pour contrôler le résultat on peut également déterminer la seconde position de zéro. Dans des conditions univoques, la seconde position de zéro doit être décalée exactement de 180 par rapport à la première position de zéro. Ensuite, on détermine, par exemple par une représentation à droite, le maximum du signal de cadre et on le représente en même temps que le signal de réception cir- culaire. Lorsque les deux signaux sont pratiquement en phase, la direction d'incidence est alors égale à l'angle de signal de zéro + 90 , c'est-à-dire que les signaux sont en oppo- sition de phase et alors la direction d'incidence est égale à l'angle de signal de zéro - 90 . Ce procédé permet de traiter rapidementet effica- cement les signaux radar qui sont reçus dans un agencement conforme à la fig. 2 ou à la fig. 4 et d'établir ainsi la direction d'incidence des signaux. La fig. 5 représente un exemple pratique duprocédé de traitement servant à la détermination d'une direction d'incidence. on a représenté avec une orientation déterminéevers le Nord et avec des échelons de 15 les signaux d'antenne à cadre qui sont additionnés vertoriellement en correspondance. En un endroit approprié (51a, 51b), le signal de réception de dipôle est équilibré des deux côtés par un décalage de 180 . La réflexion 1 atteint son minimum en 52a et 52b. Comme direction d'incidence, on obtient les deux directions mutuellement perpendiculaires. Une comparaison de structure avec la réception à dipôle met en évidence un comportement avec identi.té de phase en 53a à la différence de ce qui est obtenu en 53b. On obtient alors la direction d'incidence sur le côté o existe l'identité de phase (54). La réflexion 2 a des minima correspondant à 55a et 55b; la comparaison de structure avec le dipôle met en évidence une identité de phase en 56a et une opposition de phase en 56b. Egalement, la flèche 57 représente la direc- tion d'incidence. REVENDICATIONS 1. Dispositif de mesure en forage pour recevoir des signaux radar comportant un ensemble d'antenne qui fait partie d'un corps de sonde et dont le diagramme directionnel permet, en relation avec un appareil de traitement relié à l'ensemble d'antenne, de dériver des valeurs de mesure ca- ractérisant la direction d'incidence a partir des signaux reçus, caractérisé en ce qu'il est prévu une bobine rectan- gulaire & cadre (2; 20; 401, 402), dont l'axe longitudinal coïncide sensiblement avec l'axe longitudinal du corps de sonde (1) et dont des parties de conducteurs parallèles à l'axe longitudinal (11; 22) sont disposées sur la surface extérieure du corps de sonde. 2. Dispositif selon la revendication 1, caracté- risé en ce que des parties de conducteurs (11; 22)parallèles à l'axe longitudinal sont logées dans des rainures aplaties qui sont formées dans la surface extérieure du corps de sonde (1). 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, ca- ractérisé en ce que le corps de sonde (1) se compose d'une matière isolante. 4. Dispositif selon l'une quelconque des reven- dications 1 a 3, caractérisé en ce qu'il est prévu un cadre en croix (2; 20; 401, 402). 5. Dispositif selon la revendication 4, carac- térisé en ce que les parties de conducteurs parallèles à l'axe longitudinal du corps de sonde sont reliées, à l'ex- trêmité opposée au raccordement avec un appareil récepteur, par un anneau extérieur (13) commun aux deux parties du cadre en croix. 6. Dispositif selon l'une quelconque des reven- dications 1 & 4, caractérisé en ce que les liaisons trans- versales entre les parties de conducteurs parallèles à l'axe longitudinal pénètrent au moyen de traversées étanches à la pression (12) dans le volume intérieur du corps de sonde (1). 7. Dispositif selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 6, caractérisé en ce que l'ensemble d'antenne comprend une antenne (21; 401, 402, 49) ayant une caracté- ristique de réception circulaire et qui est disposée coaxia- lement à l'are du cadre en croi:-. 8. Dispositif selon la revendication 7, carac- térisé en ce aue le conducteur eeaiimentation de l'antenne a caracteristique de réception circulaire est guidé au tra- vers d'un tube (23) suivant l'axe du cadre en croix (20) et les liaisons transversales (2k) des parties de conduc- 2 teurs parallèles à l'axe longitudinal (22) sont disposées annulaires (25) autour du tube. 9. Dispositif selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 8, caractérisé en ce que l'antenne à cadre est un doube cadre étagé (401, 402) et forme simultanément, au moyen d'un réseau de découplage (50) l'antenne à caractéristique de réception circulaire. 10. Dispositif selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 9, caractérisé en ce que le volume Intérieur de l'antenne à cadre (2; 20; 401, 402) contient un c-Drps cylindrique formé d'un matériau magnétique de haute perméa- bilité.