Brevet FR2586484A1 — publié le 19870227

-i La présente invention concerne la diagraphie de for- mations souterraines pour la détermination de densités en utili- sant des rayons gamma. Plus particulièrement, la présente invention concerne la détermination de la densité d'une formation sans positionner la sonde de diagraphie contre la paroi du trou de sondage traversant la formation terrestre. Plus particulière- ment, la présente invention est utile pour mesurer des densités tandis que l'on fore. Des sondes de densité à rayons gamma à conducteur électrique sont des dispositifs comprenant une source de rayons gamma et un détecteur de rayons gamma, écrantées l'un par rapport à l'autre pour empêcher le comptage du rayonnement émis direc- tement à partir de la source. Pendant le fonctionnement de la sonde, des rayons gamma (ou photons) émis à partir de la source entrent dans la formation pour être étudiés et interagissent avec les électrons des atomes du matériau de la formation par absorp- tion photo-électrique, par diffusion Compton, ou par production de paires. Dans les phénomènes d'absorption photo-électrique et de production de paires, les photons particuliers impliqués dans l'interaction sont enlevés du faisceau de rayons gamma. Dans le processus diffusion Compton, le photon impliqué perd une partie de son énergie en modifiant sa direction de par- cours initial, la perte étant une fonction de l'angle de diffusion. Certains des photons émis à partir de la source vers l'échantillon sont en conséquence diffusés vers le détecteur. Beaucoup d'entre eux n'atteignent jamais le détecteur, puisque leur direction est modifiée par une seconde diffusion Compton o qu'ils sont absorbés par le processus d'absorption photo- électrique ou le processus de production de paires. Les photons diffusés qui atteignent le détecteur et interagissent avec lui sont comptés par l'équipement électronique associé au détecteur. Les difficultés principales que l'on rencontre dans les mesures de densité classiques par rayons gamma comprennent la définition de la dimension de l'échantillon, la profondeur effec- tive limitée et l'échantillonnage, des effets perturbateurs de matériaux indésirés produisant des interférences situés entre la sonde de densité et l'échantillon, et l'exigence que la sonde soit placée contre la paroi du trou de sondage. La composition chimi- que de l'échantillon affecte également la lecture des sondes de densité classiques à rayons gamma. Une sonde de densité à conducteur électrique de l'art antérieur décrite dans le brevet américain n 3 202 822 comprend deux détecteurs de rayons gamma, une source de rayons gamma collimatés et des circuits électroniques d'élaboration de rapport, et est utile tant que les matériaux interférant, situés entre les détecteurs de la sonde et l'échantillon de formation, sont iden- tiques en épaisseur et en composition chimique le long des trajec- toires des rayons gamma émis et reçus. Des non-uniformités de la paroi des trous de sondage interféreront avec le fonctionnement convenable de la sonde. De telles non-uniformités peuvent être provoquées par des trous courbes, par des éboulements, et par des variations d'épaisseur de la boue de forage sur la paroi du trou. L'art antérieur comprend aussi le brevet américain 3 846 131 qui décrit une sonde de densité à conducteur électrique qui fonctionne indépendamment de l'épaisseur et de la composition chimique des matériaux situés entre la sonde de densité et l'échantillon. Le procédé consite à faire passer deux faisceaux de rayons gamma à partir de deux sources de rayons gamma actionnées par intermittence dans l'échantillon, à recevoir le rayonnement rétrodiffusé à partir de chacune des deux sources par deux détecteurs séparés, et à élaborer les rapports des produits des quatre taux de comptage distincts de sorte que le résultat numérique soit une indication de la densité de l'échantillon. La dimension critique de la sonde à deux détecteurs réside dans l'espacement entre les détecteurs. Si les matériaux interposés ne sont pas uniformes sur des distances comparables à l'écart entre les deux détecteurs, la densité mesurée sera erronée. Aucune des sondes à conducteur électrique décrites ci- dessus n'est indiquée comme étant utile pour la mesure pendant le forage et l'incorporation dans une tige de forage tournante. Un premier objet de la présente invention est de prévoir un procédé et un appareil pour mesurer la densité d'une formation souterraine tandis que l'on fore un trou de sondage traversant la formation. Cet objet ainsi que d'autres sont atteints et les limi- tations de l'art antérieur sont palliées dans l'appareil selon l'invention qui comprend un dispositif destiné à être utilisé dans un trou de sondage traversant une formation terrestre comprenant deux moyens émettant des rayons gamma disposés à 180 autour du dispositif, ces moyens émettant des faisceaux de rayons gamma collimatés selon deux trajectoires, les trajectoires se projetant selon un motif symétrique en azimut par rapport à l'axe du dispo- sitif, se coupant en un premier point sur l'axe du dispositif et coupant un premier cercle situé dans un échantillon de la for- mation à mesurer; un premier moyen de détection de rayons gamma orienté pour recevoir les rayons gamma émis diffusés à partir de deux emplacements dans l'échantillon de formation le long de deux premières trajectoires, les trajectoires se projetant selon un motif symétrique en azimut par rapport à l'axe du dispositif, se coupant en un second point sur l'axe du dispositif et coupant le premier cercle; et un moyen pour déterminer le produit du cdmp- tage des rayons gamma reçus par les moyens de détection à partir de chacune des deux trajectoires tandis qu'ils sont diffusés à partir des deux emplacements dans l'échantillon de formation, ce produit étant indicatif de la densité moyenne de l'échantillon de formation. Les objets de la présente invention sont en outre atteints par le procédé de détermination de la densité moyenne d'un échantillon de formation terrestre entourant un trou de son- dage comprenant les étapes consistant: à descendre un dispositif dans le trou de sondage à un emplacement adjacent à l'échantil- lon; à émettre des rayons gamma dans la formation à partir du dispositif selon deux trajectoires se projetant selon un motif symétrique en azimut par rapport à l'axe du dispositif, se coupant en un premier point sur l'axe du dispositif et coupant un premier cercle situé dans l'échantillon de formation; à compter les rayons gamma émis diffusés par l'échantillon de formation vers l'arrière vers le dispositif selon un premier ensemble de deux trajectoires se projetant selon un motif symétrique en azimut par rapport à l'axe du dispositif, se coupant en un second point sur l'axe du dispositif et coupant le premier cercle; et à déterminer le produit des deux mesures de comptage, ce produit étant indica- tif de la densité moyenne de l'échantillon de formation. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention seront plus clairs à partir d'une lecture de la descrip- tion détaillée ci-après faite en relation avec les dessins joints parmi lesquels: la figure 1 est une vue en coupe d'un dispositif selon la présente invention pour réaliser une diagraphie de densité dans une formation traversée par une machine de forage en rotation, dans laquelle le dispositif peut être disposé, et la figure 2 est une représentation schématique du cir- cuit électronique requis pour détecter, compter et traiter les photons diffusés. Le sous-ensemble 10 de mesure de densité par rayons gamma selon la présente invention est représenté en figure i comme interconnecté entre une tige de forage supérieure 12 et une tige de forage inférieure 14. Une rotation des tiges de forage 12, 14 amène un foret 16 à former un trou de sondage 18 traversant une formation terrestre 20. Le sous-ensemble 10 comprend une premiere source de rayons gamma 22 et une seconde source de rayons gamma 24. Les deux sources sont situées par rapport au sous-ensemble selon une con- figuration symétrique en azimut, c'est-à-dire à 180 l'une de l'autre. Les sources sont collimatées pour former des trajectoires qui sont également symétriques en azimut. Les trajectoires sont orientées pour passer par un premier point 28 situé sur l'axe 29 du sous-ensemble 10. Le terme trajectoire, tel qu'il est utilisé ici, indique non seulement le trajet réel des rayons gamma mais également une ligne se prolongeant au delà de la source ainsi qu'au delà du détecteur. La pluralité de sources peut être une source primaire unique à partir de laquelle les rayons gamma émis sont collimatés pour former les deux faisceaux de rayons gamma symétriques. Le sous-ensemble 10 comprend en outre un premier ensemble de détecteurs comprenant un premier détecteur de rayons gamma 30 et un second détecteur de rayons gamma 32. Les détecteurs sont situés autour du sous-ensemble 10 selon une configuration symétrique en azimut qui est en alignement axial et azimutal avec les première et seconde sources 22 et 24. Les détecteurs sont collimatés pour recevoir les rayons gamma diffuses à partir de la formation selon des trajectoires qui sont également symétriques en azimut. Les trajectoires sont orientées pour couper l'axe 29 du sous-ensemble 10 en un second point 36. Les trajectoires en provenance des sources couperont le premier ensemble de trajectoires des détecteurs selon un premier cercle 38 par rapport au sous-ensemble 10. Le premier cercle se trouve dans un plan qui est perpendiculaire à l'axe du sous- ensemble 10, ce plan coupant l'axe 29 en un troisième point 39. Le second point 36 est disposé à une distance axiale par rapport au premier point 28 et les premier et second points 28 et 36 sont de préférence de part et d'autre du troisième point 39. Le sous-ensemble 10 comprend un second ensemble de détecteurs comprenant un troisième détecteur de rayons gamma 40 et un quatrième détecteur de rayons gamma 42. Ce second ensemble de détecteurs est situé autour du sous-ensemble 10 selon une con- figuration symétrique en azimut qui est également en alignement axial et azimutal avec les première et seconde sources 22 et 24 et le premier ensemble de détecteurs 30 et 32. Le second ensemble de détecteurs recevra les rayons gamma selon un troisième ensemble de deux trajectoires qui sont symétriques en azimut par rapport au sous-ensemble 10 et sont orientées pour couper l'axe 29 en un quatrième point 45 et pour couper un second cercle 72. De préference, - le quatrième point 45 et le premier point 28 sont disposés de part du troisième point 39. Chaque trajectoire du troisième ensemble doit être parallèle à une trajectoire correspondante du second ensemble. Les premier et second ensembles de détecteurs sont écrantés par rapport aux sources pour empêcher les rayons gamma émis d'atteindre les détecteurs directement à partir des sources. Le premier cercle 38 et le second cercle 72 formés dans la formation 20 seront le centre des échantillons de formation 46 et 47, respectivement, dont on veut mesurer la densité. Dans le procédé selon l'invention, le sous-ensemble 10 tourne autour de son axe 29 tandis que des rayons gamma 48 sont émis dans l'échantillon par la source 22 et des rayons gamma 50 par la seconde source 24. Les faisceaux collimatés émis de rayons _ - -- gamma forment une première région conique de la formation qui est irradiée. Dans la formation 20, une partie des rayons gamma 48 et 50 est diffusée par l'échantillon de formation 46 vers le premier ensemble de détecteurs. Des rayons gamma 54 sont diffusés à l'emplacement 56 dans l'échantillon de formation 46 et reçus par le premier détecteur 30. Des rayons gamma 58 sont diffusés à l'emplacement 62 dans l'échantillon de formation 46 vers le second détecteur 32 par lequel ils sont reçus. Puisque les deux sources collimatées 22 et 24 sont situées de façon symétrique, il existe seulement une région conique droite irradiée pendant la rotation du sous- ensemble. Les deux détecteurs collimatés 30, 32, reçoivent des rayons gamma emis diffuses à partir de l'échantillon de for- mation 46 en retour vers le sous-ensemble 10 selon la trajectoire formant un second cône inversé par rapport au premier. L'épaisseur des cônes est déterminée par le diamètre des collimateurs. Le cercle 38 formé par l'intersection des cônes a son point central 39 sur l'axe 29 du sous-ensemble 10. A un instant donné, deux petits secteurs 66 et 68 de l'échantillon de formation, placés de 180 l'un par rapport à l'autre, seront analysés. Les rayons gamma reçus 54, 58, réagiront avec le premier ensemble de détecteurs 30, 32, et provoqueront des impulsions électriques. Les amplitudes des impulsions sont proportionnelles à l'énergie des rayons gamma reçus. Si l'on souhaite fournir des taux de comptage indicatifs seulement des rayons qui ont éet diffusés une seule fois dans l'échantillon 46, ces impulsions seront amplifiées par des préamplificateurs et des amplificateurs et fournis à des discriminateurs (non reprEsentEs) qui sont régl1s pour laisser passer seulement des impulsions ayant des niveaux d'énergie de rayons gamma qui sont diffuses a l'emplacement 56 vers le détecteur 30 et à l'emplacement 62 vers le détecteur 32. Les rayons gamma qui subissent des diffusions multiples avant d'entrer dans les cetecteurs 30 et 32 seront rejetés par les discriminateurs. La sortie du détecteur et, si l'on en utilise, des discriminateurs, conduit à des portes qui fournissent des taux de comptage individuels des rayons gamma reçus à partir des deux détecteurs 30, 32. Cet agencement est représenté de façon générale en figure 2. Le produit des comptage dans les détecteurs proches 30, 32 et dans les détecteurs lointains 40 et 42, et le rapport des produits est fourni en utilisant le circuit électronique représenté schématiquement en figure 2. Des compteurs 80-83 con- vertissent les impulsions de courant produites dans les détecteurs en impulsions de tension numériques au moyen d'amplificateurs et de discriminateurs de tension (non représentés) et mémorisent alors les comptages. Les comptages en provenance des détecteurs proches 30, 32, sont mémorisés dans les compteurs 80 et 81; les comptages en provenance des détecteurs lointains 40, 42, sont mémorisés dans les compteurs 82, 83. Les entrées vers les coimp- teurs sont des comptages de tension en provenance des détecteurs et des niveaux de tension en provenance d'une horloge 75. L'horloge 75 est préréglée pour produire des impulsions intervalles réguliers, par exemple une impulsion toutes les trente secondes. Quand on envoie une impulsion au compteur 80-83 et aux multiplieurs 84 et 85, les comptages dans les compteurs 80- 81 et les comptages dans les compteurs 82-83 sont multipliés l'un par l'autre par des multiplieurs 84 et 85, respectivement. Le dis- positif multiplieur 84 calcule le produit des comptages dans les compteurs 80, 81; le dispositif multiplieur 85 calcule le produit des comptages dans les compteurs 82, 83. Le dispositif diviseur 86 calcule le rapport des produits fournis par les dispositifs 84 et une fois pour chaque impulsion de l'horloge 75. La sortie du diviseur 86, c'est-à-dire le rapport des sorties des multiplieurs 84 à 85 peut être tracée en fonction du temps par un dispositif traceur approprié 87. Les comptages individuels en provenance des détecteurs , 32, 40 et 42 peuvent varier en fonction du temps par suite de l'emplacement du sous-ensemble dans le trou de sondage tel que provoqué par la rotation de la tige de forage de façon désaxée par rapport à l'axe du trou de sondage. Dans le procédé selon l'invention, les deux comptages instantanés en provenance du premier ensemble de détecteurs 30, 32 sont multipliés dans le multiplieur 84, d'o il résulte une valeur constante indiquant ainsi l'élimination des variables fonction du temps, telles que l'épaisseur de boue à travers laquelle les rayons gamma émis doivent passer pour être reçus au niveau des détecteurs et le mouvement au sous-ensemble par rapport à la paroi du trou de sondage. Le sous-ensemble, dans une position désaxée, recevra les - - -2Qrûyons-gamma-48 qui ont diffusé - partir de 1 'échantillon de for- mation 46 au niveau du détecteur 30. Ces rayons 48 seront passés à travers une quantité différente de boue et de formation par rap- port aux rayons gamma 50 de la source 24. Toutefois, la somme des longueurs des trajets a travers la boue et la somme des longueurs de trajets à travers la formation sont constantes pourvu que le diamètre du sous-ensemble 10 soit sensiblement similaire au diametre du trou de sondage 18. Une diagraphie de densité pour effectuer une mesure dans des applications en cours de forage doit être effectuée avec une précision meilleure qu'environ 0,1 g/cm3. Puisque la densité d'une formation est typiquement de 2,5 g/cm3, la précision requise est d'environ 4%. Si la résolution verticale requise pour le forage est d'environ 15 cm, un taux de comptage requis peut être estimé de la façon suivante: Sigma/NiN2 0,04 o Sigma est la variation statistique du produit N1N2 N1 est le nombre total de comptages au niveau du dé- tecteur 30, et N2 est le nombre total de comptages au niveau du dé- tecteur 32. En supposant que N1 i N2 = N alors, d'après la théorie des statistiques: Sigma = (2 N3)1/2 et Sigma/N1N2 Sigma/N2 = (2/N)1/2 0,04 En résolvant pour N: N >1250 comptages. Chaque mesure de diagraphie de densité doit détecter une moyenne de 1 250 comptages par mesure et il doit y avoir une mesure environ tous les 15 cm. Pour une vitesse de forage d'environ 9 mètres à l'heure, chaque mesure devra être en conséquence effectuée en 30 secondes. En conséquence, chacun des détecteurs 30, 32, 40, 42 doit avoir une sensibilité suffisante pour qu'environ 43 comptages par seconde soient enregistrés. D'autre part, chaque source doit être réglée pour émettre à une intensité telle que les détecteurs reçoivent le nombre requis de 43 comptages par seconde. Pour compenser les effets du trou de sondage sur la mesure de la densité moyenne pour les échantillons de formation 46 et 47, la présente invention comprend l'utilisation des comptages en provenance du second ensemble de détecteurs 40, 42. Le produit de ces deux comptages (sortie du multiplieur 85) sera utilisé pour former un rapport (sortie du diviseur 86) entre le produit du premier ensemble de détecteurs et le produit du second ensemble de détecteurs. A titre de variante, le produit des deux rapports pour un détecteur du premier ensemble et pour un détecteur correspon- dant d'un second ensemble peut être utilisé pour déterminer la densité moyenne. Ceci est représenté de façon générale en figure 2. Un agencement similaire pour le second ensemole de détecteurs 40, 42 peut être inclus dans le sous-ensemble 10 pour recevoir, discriminer, compter, mémoriser et utiliser les rayons gamma reçus par le second ensemble, comme cela est représenté en figure 2. Le type de sources de rayons gamma ne constitue pas un objet de la présente invention puisque différents types peuvent être préférés pour diverses applications. Des sources du type cap- sule contenant des isotopes radio-actifs tels que du cobalt 60 et du césium 137 sont les types de sources de rayons gamma les plus fréquemment utilisées dans les sondes de densité à rayons gamma. Les diamètres du trou de sondage 18 et du sous-ensemble doivent être sensiblement équivalents. Ceci peut être obtenu en utilisant des stabilisateurs à l'extérieur du sous-ensemble qui font alors partie de la détermination des diamètres relatifs. D'autres variantes des détails constitutionnels et de la succession de calculs peuvent être effectuées sans sortir du domaine de l'invention telle que revendiquée ci-après. REVENDICATIONS 1. Dispositif destine à être utilisé dans un trou de sondage traversant une formation terrestre, caractérisé en ce qu'il comprend: des moyens metteurs de rayons gammia (22, 2), ces moyens émettant des faisceaux de rayons gamma collimatés selon un premier ensemble de deux trajectoires (48, 50), ces trajectoires se projetant selon un motif symétrique en azimut selon l'axe longitudinal du dispositif, se coupant en un premier point (28} sur l'axe du dispositif, et coupant un premier cercle (38} sit'é dans un échantillon de la formation à mesurer; des premiers moyens détecteurs de rayons gamma (20, 32} orientés pour recevoir les rayons gamma émis, diffusés à partir de deux emplacements (56, 62) dans l'échantillon de formation (46) selon un second ensemble de deux trajectoires (54, 58), ces tra- jectoires se projetant selon une configuration symétrique en azi- mut par rapport à l'axe du dispositif, se coupant en un second point (36) sur l'axe du dispositif et coupant le premier cercle; et des moyens (84) pour déterminer un premier produit des comptages des rayons gamma reçus par les premiers moyens détec- teurs à partir de chacune des deux trajectoires, tels que diffusés à partir de chacun des deux emplacements dans l'kchantillon de formation, ce produit étant indicatif de la densité moyenne de l'échantillon de formation. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier cercle se trouve dans un premier plan perpen- diculaire à l'axe du dispositif et coupant cet axe en un troisihme point (39). 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est adapté à être utilisé dans une chaine de tiges de forage. 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens émetteurs de rayons gamma comprennent des sour- ces de rayons gamma, chaque source étant collimatée pour émettre des rayons gamma selon l'une des deux trajectoires du premier ensemble. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les sources sont placées selon une configuration symétrique en azimut par rapport au dispositif et se trouvent dans une second plan perpendiculaire à l'axe du dispositif. 6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les premiers moyens détecteurs comprennent deux détecteurs (30, 32), chacun de ces détecteurs étant collimaté pour recevoir des rayons gamma selon l'une des deux trajectoires du second ensemble. 7. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il peut fonctionner indépendamment de son emplacement dans le trou de sondage. 8. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre: des seconds moyens détecteurs (40, 42) orientés pour recevoir des rayons gamma diffusés à partir de deux emplacements dans l'échantillon de formation selon un troisième ensemble de deux trajectoires, ces trajectoires se coupant en un quatrième point (45) sur l'axe du dispositif et coupant un second cercle (72) autour de cet axe, ce second cercle étant coupe par le premier ensemble de deux trajectoires; des moyens (85) pour déterminer un second produit de comptages de rayons gamma reçus par les seconds moyens détecteurs à partir de chacune des deux trajectoires, tels qu'ils sont dif- fusés à partir de chacun des deux emplacements dans t'échantillon de formation; et un moyen diviseur (86) pour diviser le premier produit par le second produit pour fournir un rapport indicatif d'une densité moyenne compensée de l'échantillon de formation. 9. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier point (28) est éloigné du second point (36). 10. Dispositif selon la revendication 8, caractérise en ce que les premier (28) et second (36) points sont éloignés du quatrième point (45). 11. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que le premier point (28) est d'un côté du troisième point (39) et que le second point (36) est de l'autre côté du troisième point. 12. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que le premier point (28) est d'un côté du troisième point (39) et que le quatrième point (45) est du côté opposé du troisième point. 13. Procédé pour déterminer la densité moyenne d'un échantillon de formation entourant un trou de sondage consistant à descendre un dispositif dans le trou de sondage jusqu'à un empla- cement adjacent audit échantillon, caractérisé en ce qu'il comprend en outre les étapes suivantes: émettre des rayons gamma dans la formation à partir du dispositif selon un premier ensemble de deux trajectoires (48, 50) se projetant selon une configuration symétrique en azimut par rap- port à l'axe du dispositif, ce premier ensemble de deux trajec- toires se coupant un premier point (28) sur l'axe du dispositif et coupant également un premier cercle (38) situé dans l'échantillon de formation; compter des rayons gamma diffuses à partir de l'échantillon de formation en retour vers le dispositif selon un second ensemble de deux trajectoires (54, 58) se projetant selon une configuration symétrique en azimut par rapport à l'axe du dispositif, ce second ensemble de deux trajectoires se coupant en un second point (36) sur l'axe du dispositif et coupant également le premier cercle; et déterminer un premier produit des deux comptages, ce premier produit étant indicatif de la densité moyenne de l'échantillon de formation. 14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'il comprend en outre les étapes suivantes: compter les rayons gamma émis diffusés à partir de l'échantillon de formation en retour vers le dispositif selon un troisième ensemble de deux trajectoires se projetant selon une configuration symétrique en azimut par rapport à l'axe du disposi- tif, ce troisième ensemble de deux trajectoires se coupant en un troisième point (45) espacé du second point (36) sur l'axe du dispositif, et coupant également un second cercle (47) autour de l'axe, ce second cercle étant également coupé par le premier ensemble (48, 50) de deux trajectoires; déterminer un second produit d'au moins deux compta- ges; et déterminer le rapport entre les premier et second pro- duits, ce rapport étant indicatif d'une densité moyenne compensée de l'échantillon de formation.