Brevet FR2643153A1 — publié le 19900817

L'invention est relative à une source implosive pour sismique ce puits. Les sources pour sismique de puits actuellement connues et utilisées pour les essais sismiques ou campagnes de prospection géophy s.que, sources telles que détonateur ou masse percutante, permettent d effectuer des essais dans tout type de formations géologiques. Cependant une grande partie de l'énergie vibratoire libérée par ces dernières tend à demeurer dans le puits sous forme d'ondes de tube qui se convertissent en ondes P au fond du trou, dans des caves et au niveau de toutes les irrégularités présentes le long du forage. Ces sources précitées présentent donc i'lnconvéníent de ne pas permettre une transmission optimale de la fraction d'énergie vibratoire transmise aux formations géologiques. La présente invention a pour but de remédier à l'inconvénient précité par la míse en oeuvre à'une source implosive pour sismique de puits permettant une transmissIon optimale de l'énergie vibratoire aux formations géologiques. Un autre objet de la présente invention est la mise en oeuvre cane source implosive pour sismique de puits pour laquelle un haut rapport de l'énergie sismique utile à l'énergie des ondes de tube est obtenu. Un autre objet de la présente invention est la mise en oeuvre d'ne source sismique susceptible d'être utilisée tant en forage ouvert qu'en forage tubé. Un autre objet de la présente invention est enfin une optimalisation du rapport de l'énergie en ondes P à l'énergie en ondes S de par la configuration propre de la source. La source implosive pour sismique de puits, selon l'invention, est remarquable en ce qu'elle comprend au moins un vérin hydraulique à admission-détente comprenant un corps de vérin et une tige mobile, des moyens de couplage mécanique de l'extrémité libre de la tige et du corps de vérin aux parois du puits, des moyens d'alimentation en fluide hydraulique et de mise en pression dudit corps de vérin, des moyens de mise en détente du corps de vérin et des moyens de séquencement des moyens d' .menta.ion en fluide hydraulique et de mise en détente du corps de vérin. Elle trouve application à la sismique de puits lors de campagnes géophysiques, de préférence pour Itémission de ibrations en puits de surface. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description et à l'observation des dessins ci-après dans lesques la figure la représente une vue schématique d'une source par implosion pour sismique de puits, la figure lb représente la disposition relative de la source dans le puits et d'un réseau de capteurs de type géophones destinés à assurer l'erregistrement des vibrations d'essai engendrées par la source, la figure lc représente la courbe de déplacement relatif de l'extrémite de tige du vérin, et donc des parois du puits en fonction de la pression exercée sur celles-ci, Les figures 2a, 2b, 2c représentent un détail de réalisation avantageux non limitatif de la source à implosion pour sismique de puits selon l'in'-ention, les figures 3a et 3b représentent un enregistrement des vibrations émises par la source selon deux essais successifs effectués dans des conditions identiques, .les figures 4a, 4b, c représentent, lors d'essais comparatifs, ies enreg .strements des différents capteurs du réseau de .a figure lb, respectivement dans le cas de la source à implosion selon l'inxention, d'un détonateur et d'une masse percutante, les figures 5a, 5b, 5c représentent également, lors d'essais comparatifs, les enregistrements des différents capteurs du réseau de ia figure lb. respectivement dans le cas de la source à implosion selon l'invention, d'un détonateur et d'une masse percutante, les figures 6a, 6b, 6c représentent les spectres de fréquence des vibrations engendrées, respectivement par l'émission d'une source à implosion selon l'invention, un détonateur et une masse percutante, ces vibrations étant reçues et détectées par un même capteur du réseau de la figure lb. La source implosive pour sismique de puits, objet de l'.nxention, sera tout d'abord décrite en liaison avec les figures la, lb, lc. Conformément aux figures précitées, la source implosive pour sismique de puits selon l'invention comprend au moins des moyens I de mise en pression des parois du puits P sur une longueur déterminée. Elle comprend en outre des moyens 2 de commande de détente des parois du puits P après leur mise en pression. En outre, des moyens 3 d'alimentation en fluide hydraulique sont prévus pour commander les moyens de mise en pression précités. Des rroyens 4 de séquencement sont prévus pour assurer le séquencement des moyens I de mise en pression et des moyens de commande de détente des parois du puits P. Selon un mode de réalisatson non limitatif de la source inplosive pour sismique de puits, objet de l'invention, les moyens I de mise en pression des parois du puits peuvent être constitués par un vérin hydraulique 15 à admission-détente de fluide hydraulique comprenant un corps de vérin 100 et au moins une tige mobile 101. On comprendra bien entendu que tout type de vérin peut être utilisé et en particulier un vérin comprenant deux tiges mobiles par exemple.Des moyens de couplage rnecanque 102, 103 sont prévus, afin d'assurer le couplage mécanique de l'extrémité libre du corps de vérin 100 lorsque celui-ci est un vérin comprenant une seule tige et de la ou des tiges 101 aux parois du puits P. Le principe de fonctionnement de la source implosive pour sismique de puits, objet de l'invention, est le suivant Le vérin hydraulique ou, de manière plus générale, les moyens 1 de mise en pression placés dans le puits P dilatent les parois de celui-ci jusqu'à un certain point en restant dans les limites de contrainte et de déformation élastique des parois du puits P et des éléments constitutifs du vérin. Une diminution brutale de la pression dans les moyens I de mise en pression ou dans le vérin entraine un retour des parois à leur position initiale en libérant l'énergie potentielle emmagasinée dans les rrnations géologiques. y compris dans le tubage du puits lorsqu'un tubage est prévu dans ce dernier.L'énergie cinétique ainsi libérée se propage alors dans l'espace sous les trois formes habituelles - ondes P: - ondes S associées au cisaillement sur les bords de la zone où le vérin ou les moyens 1 de mise en pression exercent la pression ; pour augmenter le rapport "énergie P/énergie S", il est préférable d'augmenter le plus possible la surface soumise à la pression des moyens de mise en pression 1 - ondes de tube engendrées par les mouvements de la paroi ; il existe un transfert d'énergie des formations d'énergie au fluide et propagation d'ondes de guidées. ainsi cn peut dire qu'au moment où survient la décompression brusque provoquée par les moyens 2 de commande de détente des parois du puits, i'énergie sismique est déjà transférée dans les formations géoiogiques environnantes. Le problème qui consiste à faire passer une certaine énergie du forage dans les formations géologiques en un temps très bref ou par des oscillations harmoniques est ainsi résolu. Dans le cas d'une explosion chiinique, on estime qu'une charge er.terrée n'émet que rus55 o de son énergie potentielle sous forme d'ondes sismiques. Dans le cas d'un vibrateur couplé aux parois du forage, le rendement est environ 10 fois plus élevé soit environ 5 ee de l'énergie convertie en ondes P. Confer Hardee, Elbring, Paulsson, 1987. Dans le cas de l'accumulation d'énergie dans les formations géologiques par déformation élastique statique, la quantité d'énergie qu'il est possible d'accumuler reste limitée par la surface de contact avec les moyens I de mise en pression ou le vérin, le module de rigidité p des couches géologiques environnantes et, bien entendu, par les limites du domaine élastique. Pour une déformation d'une cavité cylindrique due à une surpression P sur une longueur #z grande par rapport au diamètre 2r, la variation de volume uV est donnee par la relation #V = - r # zP/ (i) d'où l'on déduit une augmentation r du rayon #r = Pr/2u (2! l'énergie élastique alors accumulée est donnée par W = 1/2 Fmax #r (3) soit W = ( - r2 zP2)/2 (-') Afin de se fixer un ordre de grandeur plausible, dans le cas défavorable de couches géologiques formées par du caicaire de Solenhofen pour lequel = 0,231 megabars, un vérin, présentant des moyens de couplage mécanique 102, 1,3 d'une hauteur de 1 m engendrant une surpression maximum de 100 bars dans un trou de forage constituant le puits de 160 mm de diamètre, permet d'accumuler une énergie de W = 174 joules. Dans une formation moins rigide correspondant à une vitesse des ondes S de 126G m/s, soit un module de rigidité voisin de 0,0325 megabars, comme par exemple dans le cas de la Ten Sleep Formation à Amherst, Ohio W = 1237 joules. On constate alors que les ordres de grandeur sont donc très proches des énergies potentielles de sources en cours d'utilisation ou d'expérimentation en Europe et aux Etats-Unis d'Amérique. Un mode de réalisation plus particulièrement avantageux d'un système de mesure permettant d'effectuer des essais de la source implosive, çe;e que représentée en figure la, sera décrit en liaison avec la figure lb. Sur la figure lb, on a représenté la source implosive I vue de dessus, installée dans un puits de forage par exemple, un réseau de réee?teurs constitués par des géophones S1 à 512 étant installés en surface :în d'effectuer les mesures des vibrations recueillies par ces derniers.Les géophones et le réseau précité sont interconnectés à un calculateur de conduite de tir 4, la source implosive 1 étant alimentée par des moyens de commande 3 comportant. ainsi que représenté notamment en figure la, un réservoir de fluide hydraulique 30 et une pompe à haute pression 31 assurant Sa iiaison entre le réservoir et le corps du vérin par une c'-alisation adaptée 51. Le vérin était constitué par un vérin 10 hydrauìque équipé r' diaphragme de rupture permettant de libérer la contrainte appliquée en In temps très bref. Le vérin 15 a été placé dans une tranchée creusée cars de l'argile sableuse et exerçait sa pression sur les parois de la tranchée représentant le forage ou puits P par des moyens de couplage mécanique 1'2, 153 auxquels étaient ajoutées des garnitures constituées par ces plaques en bois de 35 cm de côté chacune. Le réseau d'enregistrement était constitué par douze groupes ce géophones connectes en série parallèle et espacés de I m. La figure lc montre la relation parfaitement linéaire entre la cession dans le vérin et la déformation longitudinale, les essais ayant été effectués à l'intérieur du domaine de déformation élastique. La force maximum exercée par le vérin a été estimée à 5' 500 Newtons, soit une pression sur les formations géologiques de 555 500 Pascals ou 5,5 bars. L'énergie élastique accumulée s'écrit W = 1/2 F max x #1 W = 1/2 (55 000 x 1.5 x 102) = 375 joules. (5). Sur la figure Ic. l'axe des ordonnées, relatif à l'élongation, est gradue en mm et l'axe des abscisses, reiatif à la pression exercée, est gradué en bars. Un mode de réalisation plus avantageux de la source implosive pour sismique de puits, objet de l'invention, sera décrit en liaison avec la figure 2. Le mode de réalisation précité est plus particulièrement destiné à une utilisation au cours de campagnes de relevés géophysiques. Selon la figure 2 précitée, les moyens 1 de mise en pression des parois du puits P peuvent être constitués par une enveloppe 1 1 sensiblement cylindrique en matériau plastique, tel que du polychlorure de ;vinyle souple ou analogue. Une armature 12 de protection est prévue, celle-ci étant constituée par une cage métallique formée par des lames métalliques flexibles 120. Ainsi qu'on a représenté en figure 2a, les lames métalliques 120 sont de préférence fixées à deux coupelles d'extrémité 121, 122, les lames métalliques 120 et les coupelles 121 et 122 conférant, en l'absence de mise en pression à la source implosive, l'aspect d'un conteneur cylindrique, ainsi que représenté en figure 2b notamment. Ainsi que représenté en figure 2c, la surface externe de ltenveloppe li et des lames métalliques 120 souple est destinée, lors de la mise en pression, à venir au contact de la paroi du puits P sur la majeure partie de la dimension longitudinale de l'enveloppe Il et des lames métalliques flexibles 120. Celles-ci permettent alors d'appliquer à la paroi du puits P dans une direction sensiblement radiale du forage une contrainte mécanique dans le domaine de déformation élastique des parois du forage et des lames métalliques 120. Ainsi que représenté notamment en figures la et 2a, le corps de vérin 100 et l'enveloppe Il comportent une vanne 5 d'admission du fluide hydraulique et une vanne de détente 20. Bien entendu, on comprendra dans le cas du mode de réalisation de la figure 2a que la vanne d'admission 5 est de préférence placée au niveau de la coupelle 122, un système de fJxatlon 500 à un câble par exemple étant prévu. La coupelle :1 et le corps du vérin 100 sont également munis d'une vanne de détente 2@. Dars ie cas où la source implosive selon l'invention est constituée par un vérin, les moyens de couplage mécaniques 152, 153 de l'extrémité libre de la tige 101 et du corps de vérin 150 aux parois du puits P peuvent etre constitués par une embase métallique 1020, 1030 mécaniquerrer solidaire respectivement à une extrémité libre de la tige et du corps de vérin et par une garniture de contact 1521 et 1031 solidaire de taque embase. Les moyens d'alimentation en fluide hydraulique sont constitués par Se réservoir de fluide hydraulique 30 constitué par une huile e- par la mode à haute pression 31 déjà citée. en un mode de réalisation avantageux non limitatif de la su rye implosive pour sismique de puits, objet de l'invention, les moyens 2 de commande de détente des parois du puits sont constitués par une sourate de détente à seuil de pression montée dans la vanne 20 de détente. Selon une caractéristique avantageuse de la source implosive pour sgsmicize de puits, objet de l'invention, la vanne de détente 20 permet d'assurer ie passage de la phase d'admission et de mise en pression du vérin or de l'enveloppe il et des lames métalliques 12 à la phase de détente en ur intervalle de temps inférieur à 50 ms. Ainsi qu'on a représenté en figure 2a notamment, l'enveloppe i 1 ou le corps de vérin 150 comporte en outre un capteur de pression 6 destiné à détecter le passage de la phase d'admission et de mise en pression à ia phase de détente pour déterminer l'origine de temps d'essai sismique. On notera enfin que les moyens de séquencement 4 peuvent être constiués, ainsi que décrit précédemment, par le calculateur de conduite de tir a interconnecté à la pompe à haute pression 31 et au capteur de pression 6 précédemment cité. Bien entendu, le calculateur de conduite de tir 45, ainsi que représenté en figure lb notamment, est également interconnecté au réseau de mesure constitué par les groupes de geophones S1 à 512. Des essais effectués dans les conditions précédemment cécrites, notamment lorsque la source était constituée par un vérin, ainsi que mentionné précédemment, ont successivement permis de constater la Darfaite répétabilité des tirs conduits au moyen de la source implosive pour sismique de puits conformes à l'objet de l'invention. Sur les figures 3a et 3b, on a représenté des tirs successifs effectues au moyen de la source implosive, objet de l'invention, ces tirs étant conduits à l'aide du calculateur de conduite de tirs et les vibrations étant enregistrées au moyen du réseau représenté en figure lb. On constatera sur les figures 3a et 3b la parfaite répétabilté de deux tirs successifs ainsi réalisés. Un autre essai comparatif a été effectué, la source implosive, onset de l'invention, étant remplacée successivement par un détonateur enterré à la même profondeur que la profondeur du vérin, puis par la percussion d'une masse de 5 kg brandie normatement et dirigée contre l'embase ou garniture de contact précédemment citée. Dans ce dernier cas, l'énergie transmise aux couches géologiques correspondantes a été estimée à 15 joules. A ce titre, les figures 4a, 4b, 4c représentent les enregistrement normés des trois seismogrammes dans les conditions d'expérimentation précédemment citées. Les rapports d'amplitude calculés dans une fenêtre de temps de 0 à 300 ms sont respectivement de 1 pour la masse percutante, de 1,6 pour le détonateur enterré et de 5 pour la source implosive, objet de l'invention. L'énergie sismique émise par la source implosive, objet de l'invention, est donc considérable par rapport à celle émise par le détonateur, lequel a cependant une énergie potentielle totale 5 fois plus élevée. L'importance du couplage de la source implosive, objet de l'invention, est ainsi mise en évidence.On notera bien entendu que dans le cas des figures 3a, 3b et 4a, 4b, 4c, l'axe des ordonnées est gradué en rmero d'ordre des géophones. tels que représentés en figure lb et l'axe des abscisses est gradué en temps, soit en ms. De la meme façon, et pour des graduations analogues des enregistrements des figures 5a. 5b, 5c, ces enregistrements égalisés montrent clairement le meilleur rapport signal à bruit S/B dans le cas de la source Implosive, obJet de l'invention. Sur les figures 6a, 6b, 6c, on a représenté les spectres de fréquence 2 respectivement une source implosive, objet de l'invention, le détonateur précté et la masse percutante, l'enregistrement étant bien entendu effectue par un même groupe de géophones, le géophone 12 en l'occurrence. On constate que ie spectre de la source implosive, objet de l'invention, est n spectre à composante basse fréquence plus importante, celui-ci présentant une atténuation de 20 dB à 40 Hz contre 65 Hz pour le détonateur et 7 Hz pour la masse percutante. On a ainsi décrit une source implosive pour sismique de puits particulièrement avantageuse, l'ensemble des avantages pouvant être résumé de a façon ci-après. La source implosive selon l'invention permet une utilisation optimum de la puissance transportable par un câble de diagraphie, lequel permet le transport d'une puissance de 700 W environ, mis à part une fraction de seconde à l'instant de la chute de pression, il n'y a donc aucun inconvénient à augmenter la pression dans le corps de vérin ou dans ;'enveioppe 11 précitée. La pression maximum exercée sur les parois du forage ou du puits P peut être modifiée et, par conséquent, les dégâts peuvent etre évités. Il est ainsi possible de se conformer aux normes de contraintes imposées sur les parois du puits P ou sur le tubage lui-même. En raison d'un effort radial, c'est-à-dire sensiblement normal aux parois du puits P, la source implosive, objet de l'invention, ne joue pas le rôle d'un piston dans le forage et, de ce fait, il existe un haut rapport de l'énergie sismique utile à l'énergie des ondes de tube. L'allongement des dimensions de la source dans la direction longitudinaJe du puits permet une optimalisation du rapport énergie P/énergie S. En effet, I'effet de cisailiement se produit sur les parois. La source implosive, objet de l'invention, peut également être utilisée en forage ouvert ou en forage tubé, ce qui n'est pas le cas de la source du type chute de poids. Le système mécanique de la source implosive, objet de l'invention, est beaucoup plus simple que le vibrateur de fond de trou et, par rapport à ce dernier, la masse virtuelle. c'est-à-dire équivalent en masse du terrain affecté par l'effort de la source, est maximum, ce qui abaisse vers les fréquences sismiques la fréquence de résonance du système. REVENDICATIONS 1. Source implosive pour sismique de puits, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins des moyens (1) de mise en pression des parois dudit puits (P) sur une longueur déterminée, . des moyens (2) de commande de détente des parois dudit puits après leur mise en pression. . des moyens (3) d'alimentation en fluide hydraulique des moyens de mise en pression des moyens (4) de secuencement des moyens (I) de mise en pression et des moyens de commande de détente des parois dudit puits. 2. Source implosive pour sismique de puits selon la revendica t Dn I. caracoérisée en ce que lesdits moyens (1) de mise en pression des paros dudit uJts sont constitués par . un serin hydraulique (lrj) à admisslon-détente comprenant un corps de vérin (100) et au moins une tige mobile (101), ces moyens de couplage mécanique (102, 103) de l'extrémité libre du corps de vérin (IJ) de la ou des tige(s) (101) aux parois du puits (P). 3. Source implosive pour sismique de puits selon la revendica :isn 1. caractérisée en ce que lesdits moyens ( I ) de mise en pression des parois dudit puits (P) sont constitués part :: - une enveloppe (ll) sensiblement cylindrique en matériau plastique, - une armature (12) de protection constituée par une cage métallique formée par des lames métalliques flexibles (120), la surf-ace externe de l'enveloppe et des lames métalliques souples étant, lors de la mise en pression, destinée à venir au contact de la paroi du puits (P) sur la majeure partie de la dimension longitudinale de l'enveloppe (11), afin d'appliquer à ladite paroi dans la direction sensiblement radiale du forage une contrainte mécanique dans le domaine de déformation élastique des parois du forage et des lames métalliques (120). 4. Source implosive pour sismique de puits selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisée en ce que le corps de vérin (100) et I'enveloppe (ll) comporte une vanne (5) d'admission de fluide hydraulique et une vanne de détente (20). 5. Source sismique selon l'une des revendications I à 3, caractérisée en ce que les moyens de couplage mécanique (102, 153) de l'extrémité libre de la tige (101) et du corps de vérin (I 00) aux parois du puits (P) sont constitués par - une embase métallique (1020, 1030) mécaniquement solidaire respec tivement avec l'extrémité libre de la tige et du corps de vérin, - une garniture de contact (1021, 1031) solidaire de chaque embase. 6. Source implosive pour sismique de puits selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que lesdits moyens d'alimentation en fluide hydraulique sont constitués par - un réservoir de fluide hydraulique (30), - une pompe à haute pression (31) reliant ledit réservoir à la vanne d'admission dudit vérin. 7. Source implosive pour sismique de puits selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisée en ce que lesdits moyens (2) de commande de détente des parois du puits sont constitués par une soupape de détente à seuil de pression montée dans la vanne (2ru) de détente. 8. Source implosive pour sismique de puits selon la revendication 7, caractérisée en ce que ladite vanne de détente (20) permet d'assurer le passage de la phase d'admission et de mise en pression à la phase de détente en un intervalle de temps inférieur à 50 millisecondes. 9. Source implosive pour sismique de puits selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'enveloppe (11) ou le corps de vérin (100) comportent en outre un capteur de pression (6) destiné à détecter le passage de la phase d'admission et de mise en pression à la phase de détente pour déterminer l'origine de temps d'essai sismique. 10. Source implosive pour sismique de puits selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les moyens de séquencement (4) sont constitués par un calculateur de conduite de tir (40) interconnecté par la pompe à haute pression (31) et au capteur de pression (6).