Brevet FR2610114A1 — publié le 19880729

La présente invention concerne un procédé et un appareillage destinés à la détection continue des variations du type ou de l'état des roches avoisinant un tunnelier par une méthode électrique. Lors du forage d'un tunnel, il est avantageux et parfois nécessaire de prévoir les altérations, ou même le changement de nature des roches qui vont être traversées, notamment pour prévenir les venues d'eau. A l'heure actuelle, les variations géologiques devant le tunnelier, telles qu'un changement du type ou de l'état de la formation (fracturation, faille), sont généralement détectées par le forage d'un avant trou de petit diametre. Ceci entraîne une perte de temps, et le domaine investigué par cette méthode est extrêmement restreint. Or il est bien connu des géophysiciens que les roches souterraines sont, à de très rares exceptions près, imprégnées d'eau, ce qui leur confère une conductivité électrique non nulle. Cette conductivité dépend du type de la roche, mais aussi de son état. Par exemple, pour une roche donnée, une zone faillée aura une conductivité plus élevée qu'une zone non faillée. L'invention a pour but la surveillance continue des variations de conductivité frontales et latérales a plusieurs mètres de l'appareil de forage appelé tunnelier, éliminant ainsi la nécessité de forer un avant trou, et donnant une "image" beaucoup plus complète des formations pénétrées par le tunnel. Le procédé décrit ci-après permet d'analyser en cours de forage la distribution de la conductivité du milieu pénétré par un tunnelier. Il utilise une source de courant alternatif connectée entre la masse du tunnelier et une électrode de retour, et des moyens permettant de mesurer: - d'une part les intensités des courants émis dans le milieu environnant par différentes portions de la surface externe du tunnelier, les dites portions pouvant être constituées d'un ensemble de sous-portions distinctes, - d'autre part la tension créée entre la masse du tunnelier et une électrode de référence, distincte ou non de l'électrode de retour du courant. Il sera avantageux de ne pas considérer séparément les courants et la tension mesurés, mais de déterminer les conductivités apparentes correspondantes Ca = K.I/V Les conductivités apparentes de différentes zones du milieu pénétré par le tunnelier seront ainsi déterminées en évaluant les rapports entre les courants mesurés d'une part, et la tension mesurée d'autre part, et en les multipliant par des coefficients géométriques appropriés. Les coefficients constants K, ayant la dimension de l'inverse d'une longueur, sont choisis tels que si le tunnelier traverse une formation homogène, toutes les conductivités apparentes mesurées soient égales à là conductivité de la dite formation. Les dessins annexés illustrent l'invention: - La figure 1 montre le principe de base de la méthode. - La figure 2 montre la réponse de deux des paramètres mesurés, en fonction de la distance à une anomalie frontale. - La figure 3 représente schématiquement l'appareillage électronique utilisé pour un mode de réalisation de l'invention. - La figure 4 représente deux moyens de mesurer le courant émis par une portion de surface métallique, ce qui est nécessaire à la réalisation de l'invention, comme il apparaîtra à la lecture de ce qui suit. La figure 1 représente l'appareil de forage, dit tunnelier. Cet appareil, entièrement métallique, est composé d'une partie frontale circulaire (la) appelée bouclier, portant des outiis de coupe, et d'une partie cylindrique (lb) appelée jupe. La partie circulaire est animée d'un mouvement de rotation autour d'un axe (2), grâce au moteur (3), qui est monté sur le bâti (4) solidaire de la jupe. L'ensemble progresse dans une direction généralement horizontale. L'appareillage destiné à mettre en oeuvre le procédé comporte, outre le tunnelier: - un générateur de courant alternatif connecté entre la masse du dit tunnelier et une électrode de retour, - des ampèremètres mesurant les intensités des courants émis dans le milieu environnant par différentes portions de la surface externe du tunnelier, les dites portions pouvant être constituées d'un ensemble de sous-portions distinctes, - un voltmètre mesurant la tension créée entre la masse du tunnelier et une électrode de référence. Le générateur (5) permet d'émettre, entre le tunnelier (la et lb) et une électrode lointaine (6), un courant alternatif It à la fréquence f. Une puissance de l'ordre de quelques watts est suffisante pour assurer aux paramètres intéressants des valeurs telles que l'on puisse les mesurer avec la précision nécessaire. La fréquence f ne sera pas nulle (courant continu) pour éviter les problèmes, bien connus des hommes de part, dûs à la polarisation des électrodes. Les plages de fréquences les mieux adaptées, ainsi que les valeurs d'autres paramètres, sont indiquées à la fin de l'exposé. Le voltmètre (7) mesure la différence de potentiel V entre le tunnelier (la et lb) et une électrode de référence (8), éventuellement confondue avec l'électrode (6). Il sera cependant en général avantageux d'utiliser une électrode de référence (8) distincte de l'électrode de retour du courant (6), afin d'obtenir une mesure indépendante de la zone entourant l'électrode (6). Cette zone pourrait en effet contribuer de façon appréciable à la chute de tension V mesurée, surtout si l'électrode (6) présente une faible surface de contact avec le terrain. L'ampèremètre (9) mesure le courant It. Plusieurs ampèremètres mesurent des fractions du courant total telles que I1, I2,..., In, émises par des petites portions (ou électrodes) de la surface externe du tunnelier. La façon de mesurer ces courants partiels sera explicitée dans la suite de l'exposé. Chacun de ces courants est donc proportionnel à la densité de courant j sur le tunnelier, au point de localisation des électrodes considérées. Le tunnelier étant métallique, tout élément de sa surface externe en contact direct ou indirect avec la roche pénétrée émet du courant dans la dite roche. L'avantage qui résulte de l'utilisation de la densité de courant, ou, ce qui est équivalent, de fractions locales du courant total, provient du fait bien connu dans la théorie des électrodes que les courants avoisinants focalisent la portion de courant considérée dans une direction perpendiculaire à la surface de l'électro- de, permettant ainsi de définir une conductivité apparente locale principalement liée à la conductivité de la formation dans la dite direction. La densité de courant j est une fonction qui est définie sur toute la surface du tunnelier, et, pour la connaître parfaitement, il faudrait théoriquement disposer d'un très grand nombre d'électrodes réparties sur toute la dite surface. En pratique, il suffira de surveiller j dans certaines zones, choisies en fonction des variations géologiques attendues. Par exemple, la surveillance de j au centre de la surface frontale (la) du tunnelier permettra de détecter une variation géologique frontale beaucoup plus tôt que ne le permettrait la surveillance du courant total It. La figure 2 montre les variations relatives de la conductivité totale vue par l'ensemble du tunnelier (courbe a), et de la conductivité (courbe b), vue par une portion centrale de la surface frontale (la) du tunnelier, en fonction de la distance entre le dit tunnelier et une zone de moindre résistivité de la roche. Cette figure illustre la sensibilité accrue de la mesure frontale (courbe b) à une anomalie frontale. Une figure analogue pourrait être obtenue, mutatis mutandis, en considérant la conductivité vue par une portion de la jupe (lb) du dit tunnelier, en présence d'une zone de moindre résistivité latérale. Il est donc clair, que la surveillance simultanée d'au moins une conductivité frontale, et d'au moins une conductivité latérale peut donner une information sur la direction d'une variation détectée de la conductivité des formations avoisinant le tunnelier. La figure 3 montre un mode de réalisation préférentiel d'un appareillage suivant le principe de la présente invention. Le générateur (5) émet un courant total alternatif sinusoïdal, de fréquence f, entre le tunnelier (1), et l'électrode lointaine (6). Le voltmètre électronique (7) mesure la tension V, entre le dit tunnelier et une seconde électrode lointaine (électrode (8) de la figure 1). L'pmperemètre (9) mesure le courant total It. Une pluralité d'ampèremètres (10) mesurent des fractions I1, I2,..., In du dit courant total émises par des portions de la surface du tunnelier. Tous ces appareils de mesure, voltmètre et ampèremètres, comporteront préférablement des filtres du type passe-bande centrés sur la fréquence f et une sortie digitale utilisable par un ordinateur. Avantageusement on déterminera six conductivités apparentes à partir des courants émis par le tunnelier entier, par un ensemble de parties en contact électrique avec le terrain situées sur un disque central de la face avant, et par quatre portions situées sur les parties supérieure, inférieure, gauche et droite de la jupe du tunnelier. Il sera aussi avantageux d'enregistrer en fonction du temps ou de l'avancement du tunnelier les différents paramètres mesurés (courants, tension) ou déterminés (conductivités apparentes). Un dispositif électronique (11), dit interface, reçoit en parallèle les valeurs digitales de tous les paramètres mesurés et les transmet séquentiellement à un ordinateur (12). Un logiçiel permet, au dit ordinateur, de - traiter convenablement toutes les mesures, notamment effectuer un filtrage supplémentaire destiné à réduire le bruit au minimum, mettant à profit le fort taux d'échantillonnage des dites mesures, - détecter et corriger les anomalies possibles de fonc tionnemept de l'appareillage, comme toute variation soudaine et temporaire de l'une quelconque des quantités mesurées, due par exemple à un mauvais contact momentané entre l'une des électrodes et le milieu environnant, en bref contrôler la qualité des mesures, - déterminer les conductivités apparentes correspondant aux différents courants mesurés, - fournir à un enregistreur (15) (à bande magnétique, disque, disquette...) tous les paramètres mesurés et calculés, - contrôler l'affichage par un dispositif graphique (13) d'un où plusieurs paramètres de surveillance, soit en fonction du temps, soit en fonction de la distance parcourue par le tunnelier si un paramètre représentatif de la dite distance est fourni à l'ordinateur, - piloter, grâce à la liaison (14), le générateur (5), afin de maintenir les amplitudes des courants et de la tension à des niveaux permettant des mesures précises, - combiner les paramètres mesurés et leurs variations en fonction de l'avancement pour en déduire certaines caractéristiques des anomalies géologiques rencontrées telles que distance, orientation et importance des zones faillées. Les courants émis dans le milieu environnant par un certain nombre des portions choisies de la surface externe du tunnelier peuvent être mesurés en isolant électriquement les portions en question de la masse du tunnelier, et en utilisant des appareils de mesure de courant de faible impédancé interne connectés entre la source d'une part, et les dites portions d'autre part. De même, les courants émis par un certain nombre de ces portions peuvent être mesurés à l'aide d'ampèremètres connectés aux bornes d'enroulements toriques entourant les dites portions. En d'autres termes, les électrodes réparties sur le tunnelier pourront être soit du type isolé, soit du type non isolé. Les figures 4a et 4b représentent des coupes de la paroi du tunnelier. Les électrodes du type isolé, voir figure 4a, sont des portions (16) du tunnelier, électriquement séparées de leur voisinage par un isolant (17), et réunies à la masse (18) du tunnelier par un court-circuit électrique ou électronique (19) permettant ainsi de maintenir l'ensemble du tunnelier, électrodes comprises, à un même potentiel, et de mesurer les courants émis par les dites électrodes dans les formations. Les électrodes du type non isolé, voir figure 4b, sont des portions de la surface du tunnelier autour desquelles on a disposé une bobine torique (20), soit directement si cette portion est en relief, soit dans une gorge aménagée à cet effet. La bobine ainsi disposée, constitue le secondaire d'un transformateur de courant qui mesure le courant émis dans les formations par la portion de surface ainsi entourée. Soit T le tunnelier, E l'électrode connectée au générateur et R l'électrode de référence pour la mesure de tension. La fréquence f du générateur, le nombre des électrodes réparties sur le tunnelier et leurs localisations, ainsi que la position des électrodes E et R, sont des paramètres qui peuvent être adaptés aux formations géologiques locales. Soit e l'épaisseur de peau, à la fréquence f, dans la plus conductrice des formations rencontrées, et d le diamètre du tunnelier. Il sera généralement avantageux de choisir - La distance TR grande devant d. Par exemple TR = 10d. En pratique une distance de l'ordre de la centaine de mètres est suffisante. - La distance TE supérieure ou égale à la distance TR. - La fréquence f telle que e soit supérieure à TR et f suffisamment différente de la fréquence d'alimentation des autres appareillages électriques (50 ou 60 Hz en général) pour éviter les problèmes de diaphonie bien connus des hommes de l'art. Par exemple, une fréquence comprise entre 70 et 90 Hz conviendra pour des formations dont la conductivité atteint jusqu'à 0,2 Siemens/mètre. Une fréquence inférieure à 40 Hz permettra un fonctionnement satisfaisant dans des formations encore plus conductrices. - Le diamètre du disque constituant l'électrode de la face avant, supérieur à d/10 et inférieur à d/2. - Les surfaces des électrodes localisées sur la jupe, supérieures au centième et inférieures au dizième de la surface totale de la dite jupe. REVENDICATIONS l.Procédé destiné à analyser en cours de forage la distribution de la conductivité du milieu pénétré par un tunnelier, caractérisé en ce qu'il utilise une source de courant alternatif connectée entre la masse du dit tunnelier et une électrode de retour, et en ce qu'il comporte des moyens de mesurer: - d'une part les intensités des courants émis dans le milieu environnant par différentes portions de la surface externe du tunnelier, - d'autre part la tension créée entre la masse du tunnelier et une électrode de référence. 2.Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que certaines des différentes portions choisies de la surface externe du tunnelier sont constituées d'un ensemble de sousportions distinctes. 3.Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'on détermine les conductivités apparentes de différentes zones du milieu environnant en évaluant les rapports entre les courants mesurés d'une part, et la tension mesurée d'autre part, et en les multipliant par des coefficients géométriques appropriés. 4.Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que six conductivités apparentes sont déterminées à partir des courants émis par le tunnelier entier, par un ensemble de parties en contact électrique avec le terrain situées sur un disque central de la face avant, et par quatre portions situées sur les parties supérieure, inférieure, gauche et droite de la jupe du tunnelier. 5.Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les différents paramètres me surés (courants, tension) et calculés (conductivités apparentes) sont enregistrés en fonction du temps ou de l'avancement du tunnelier. 6.Appareillage destiné à analyser en cours de forage la distribution de la conductivité du milieu pénétré par un tunnelier, caractérisé en ce qu'il comporte, outre le tunnelier: - un générateur de courant alternatif connecté entre la masse du dit tunnelier et une électrode de retour, - des ampèremètres mesurant les intensités des courants émis dans le milieu environnant par différentes portions de la surface externe du tunnelier, les dites portions pouvant être constituées d'un ensemble de sous-portions distinctes, - un voltmètre mesurant la tension créée entre la masse du tunnelier et une électrode de référence. 7.Appareillage selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte un ordinateur destiné à: - filtrer les paramètres mesurés et contrôler leur qualité, - déterminer les conductivités apparentes selon l'une des revendications 3 ou 4, - permettre l'enregistrement de paramètres selon la revendication 5, en contrôlant un enregistreur. 8.Appareillage selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'ordinateur pilote le générateur afin de maintenir les amplitudes des courants et de la tension mesurés à des niveaux permettant des mesures précises. 9.Appareillage selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que les courants émis dans le milieu environnant par un certain nombre des portions choisies de la surface externe du tunnelier sont mesurés en isolant électriquement les dites portions de la masse du dit tunnelier, et en utilisant des appareils de mesure de courant de faible impédance interne connectés entre la masse du tunnelier d'une part, et les dites portions d'autre part. 10.Appareillage selon l'une quelconque des revendications 6 à 9, caractérisé en ce que les courants émis dans le milieu environnant par un certain nombre des portions choisies de la surface externe du tunnelier sont mesurés à l'aide d'am ampèremètres connectés aux bornes d'enroulements toriques entourant les dites portions.