Brevet FR2649753A1 — publié le 19910118

L'invention concerne des essais réalisés à partir d'un forage pour déterminer les caractéristiques mécaniques du terrain en élasticité et en plasticité. De tels essais comportent genéralement, suivant des procédés connus et utilisés couramment, I'établissement d'un graphique pression volume qui représente la résistance du terrain à un niveau donné. Ces essais sont réalisés avec une sonde qui est descendue à un niveau déterminé du forage. Cette sonde est alors remplie par un liquide. A partir de ia surface on applique successivement des paliers de pression croissants. Pour chacun de ces paliers, on mesure la déformation de la sonde à des intervalles de temps croissants. Ces essais ne permettent que d'obtenir une appréciation sur la résistance ef la déformabilité du terrain. D'une part on suppose que le terrain réagit élastiquement lorsqu'on atteint une relation linéaire entre la pression du liquide, et le volume injecté dans la sonde, ceci pour trouver un caractéristique de déformabilité, alors que le comportement du terrain est à la fois élastique et plastique. D'autre part on détermine une pression limite correspondant à une expansion infini de la sonde, ceci pour trouver une caractéristique de résistance et on utilise des corrélations empiriques pour déterminer une pression admissible de service pour le terrain. Ces deux méthodes sont donc à la fois imprécises et mal adaptées aux besoins du calcul. L'objet de cette invention est d'éviter ces inconvénients en permettant d'obtenir des informations plus détaillées et plus précises sur les différentes couches de terrain, tout en n'ayant recours, pour les mesures, qu'à des appareils utilisés dans les forages. L'invention apporte un perfectionnement à la méthodologie d'essai, en introduisant dans la séquence de mise en charge du terrain, un ou plusieurs cycles de déchargement rechargement, sur lesquels on peut considérer que les déformations sont élastiques. On s'affranchit ainsi de la composante de déformation plastique qui est une des variables de la relation linéaire entre la pression et la déformation de la sonde lors d'un chargement monotone. L'invention apporte un perfectionnement à la technique de détermination de la pression dans le terrain, en introduisant un ensemble de corrections qui tiennent compte de la géométrie de la sonde, de la méthodologie d'essai, des conditions de l'expérience. Ce perfectionnement est basé sur le fait qu'on a découvert que la constitution de.la sonde, la procédure utilisée pour l'essai, et la disposition géométrique de la sonde, du tableau de mesure par rapport au terrain, ont une influence sur les résultats mesurés. L'invention apporte un perfectionnement à la technique de détermination des caractéristiques mécaniques du terrain en permettant de trouver à partir de la relation entre la pression et la déformation relative du forage, le module de cisaillement du terrain, et à partir de la relation entre les logarithmes de la pression et de la déformée du forage, l'angle de frottement interne du terrain. Ce perfectionnement est basé sur le fait qu'on a découvert que l'équilibre statique du terrain autour de la sonde est déterminé dans les conditions d'élasticité et de plasticité du terrain. Les caractéristiques de l'invention et ses avantages ressortiront plus clairement de la description qui va suivre, laquelle est donnée à titre d'exemple non limitatif et concerne un mode de mise en oeuvre particulier illustré au moyen des dessins annexés dans lesquels: - La figure 1 représente très schématiquement une installation d'essai de forage, conforme à l'invention. La sonde est ici composée d'une cellule de mesure et de deux cellules de garde. La présence de ces cellules de garde n'est pas indispensable, et l'invention peut être utilisée avec une sonde unicellulaire. - La figure 2 représente une courbe traduisant les valeurs de la déformation de la sonde pour différents instants à partir du moment où une pression est imposée au terrain. - La figure 3 représente une courbe de chargement de la sonde avec un cycle déchargement rechargement conforme à l'invention. - La figure 4 représente la différence de niveau hydraulique entre l'unité de contrôle et la sonde. - La figure 5 représente la différence de niveau hydraulique entre la surface de la nappe phréatique et la sonde. - La figure 6 représente l'essai à vide de la sonde qu'on réalise en dehors du forage, avant l'essai à un niveau donné du terrain. - La figure 7 représente la variation interne de volume des tubulures sous l'action d'une pression imposée, et avec une déformation nulle de la sonde. - La figure 8 constitue un schéma montrant la différence de pression qui existe entre le fluide à l'intérieur de la sonde, et le terrain à l'extérieur de la sonde, pour une épaisseur de membrane ou autres protections, donnée. - La figure 9 constitue un schéma montrant la différence entre la longueur déformable sur laquelle agit la réaction du terrain à l'extérieur de la sonde, et la longueur chargée par les fluides à l'intérieur de la sonde. - La figure 10 constitue un schéma montrant comment se décompose la pression interne à la sonde en, d'une part une cellule chargée avec un liquide à une pression et et d'autre part des cellules de garde chargées avec un gaz à la pression Pçp,. Ce schéma est un cas particulier pour une sonde tricellulaire, mais l'invention peut être utilisée avec une sonde ayant un nombre quelconque de cellules. - La figure 11 constitue un schéma montrant comment la sonde se déforme, et la partie sur laquelle se fait la mesure de déformation. - La figure 12 constitue un schéma montrant comment se décompose la réaction du terrain, en une partie élastique proportionnelle à la déformation de la sonde, et une partie plastique qui n'est pas liée directement à la déformation de la sonde. - La figure 13 constitue un schéma synoptique des opérations essentielles que comporte le procédé selon l'invention. - La figure 14 représente dans la partie a/ la relation entre la pression de réaction du terrain, et la déformation de la sonde. La partie bi représente la relation entre la variation de déformation de la sonde entre deux instants différents, et pour une même valeur de la pression. Une correspondance est indiquée avec la partie a/ qui montre la façon dont on détermine la pression de fluage Pf, et la pression limite PI. - La figure 15 représente la relation linéaire qui existe entre les logarithmes népériens de la pression de réaction du terrain, et la déformation du forage. En référence à la figure 1, un forage (3) traverse un terrain. La partie du forage correspondant au niveau de la sonde peut être laissée à découvert sans aucun revétement. la partie restante du forage peut être soit tubée, soit laissée à nu. Une unité de contrôle (1) est placée en surface, et reliée par des tubulures (2) électriques ou hydrauliques à la sonde. Par l'intermédiaire de l'unité de contrôle (1), on commande une mise en pression de la sonde (4). Celle ci charge le terrain et se déforme. Une mesure de déformation se fait le long de la cellule de mesure, ef se matérialise par soit une mesure électrique ou hydraulique locale au niveau de la sonde (4), soit par une mesure électrique ou hydraulique correspondant à un niveau liquide dans l'unité de contrôle (1).L'unité de contrôle (1) assure l'alimentation de la sonde, reçoit et traite les informations venant de la sonde éventuellement jusqu'à l'établissement complet des graphiques pression de réaction du terrain, déformation de la sonde. Pour effectuer les différentes mesures en vue de l'établissement de ces graphiques, la sonde comprend au moins: a/ Une cellule de mesure (6). Il s'agit d'un appareil cylindrique dont la surface extérieure est constituée d'une membrane déformable. Un fluide, å l'intérieur de la cellule de mesure, charge la membrane et celle ci se déforme. bl Un capteur de pression qui mesure la pression du fluide à l'intérieur de la cellule de mesure. Cet appareil peut éventuellement être ramené en surface dans l'unité de contrôle. c/ Un capteur de déformation qui mesure la valeur du rayon ou du diamètre de la sonde au niveau de la cellule de mesure. Cet appareil peut éventuellemnt être ramené en surface dans l'unité de contrôle. d/ Eventuellement des cellules de garde (5). Il s'agit d'un appareil cylindrique dont la surface extérieure est constituée par une membrane déformable. Un fluide liquide ou plus souvent gazeux, à l'intérieur des cellules de garde (5), charge la membrane et celle ci se déforme. Cet appareil a pour fonction de rendre la contrainte et la déformation homogène au niveau de la cellule de mesure. e/ Eventuellement un capteur de pression qui mesure la pression du fluide à l'intérieur des cellules de garde. Cet appareil peut éventuellement être ramené en surface au niveau de l'unité de contrôle. V Eventuellement une protection extérieure aux membranes des cellules de mesure et de garde, constituée soit par une membrane renforcée, soit par une membrane protégée de lamelles métalliques, soit par un tube métallique fendu longitudinalement, soit par une combinaison de ces méthodes. Ces appareils de mesure peuvent de préférence être connectés les uns aux autres pour former une seule sonde descendue dans le forage en une seule fois. Toutefois, ces instmments peuvent aussi être utilisés séparément, chacun en association avec l'unité de contrôle. Dans le procédé selon l'invention, on effectue des mesures de pression des fluides et de déformation de la sonde en utilisant les appareils décrits ci-dessus et en référence à un niveau sélectionné du puits. On effectue la mesure de déformation dans la cellule de mesure à des intervalles de temps croissant. La courbe de la figure 2 a été obtenue pour des mesures de déformation de la sonde, 15 secondes, 30 secondes, 1 minute après l'application de ia pression. Cette échelle des temps est purement indicative et toute autre progression peut être utilisée. En référence à la figure 3, la pression que l'on impose à la sonde, est appliquée par paliers successifs selon le procédé indiqué ci dessus. La courbe indique avant le point A, une mise en contact de la sonde et du terrain. Du point A au point B, la relation entre la pression appliquée et la déformation de la sonde, est linéaire. A partir du point D, on procède par paliers successifs de déchargement, jusqu'au point E, et on recharge par paliers pour revenir à la pression de D. Du point D au point C, les déformations augmentent rapidement, et en C on ne peut plus obtenir de stabilité de la mesure. La pression en C est appelée pression limite et notée Pl. Dans le procédé selon l'invention, on corrige les pressions imposées à la sonde, et les déformations, pour se ramener à une valeur de la pression de réaction moyenne du terrain et à une déformation moyenne, le long de la cellule de mesure. En référence à la figure 4, dans le cas où la pression du fluide de la cellule de mesure est lue en surface, on corrige cette mesure, de la valeur de la pression statique qui correspond à la colonne de fluide z. En référence à la figure 5, on corrige la pression de réaction du terrain, à l'extérieur de la sonde, de la pression statique qui correspond à la hauteur z de la nappe phréatique au dessus de la sonde. En référence à la figure 6, pour une valeur de pression imposée et une valeur mesurée de la déformée de la sonde, on corrige la pression imposée, de la pression qu'il faut appliquer à la sonde pour qu'elle se déforme à vide ( hors du terrain), de la même quantité. En référence à la figure 7, dans le cas où l'on fait une mesure de déformée de la sonde par l'intermédiaire d'une mesure de volume en surface, on corrige le volume lu, du volume de déformation propre aux tubulures, pour la même pression imposée, et pour une déformée de la sonde nulle. En référence à la figure 8, on mesure la pression de réaction du terrain, à partir de la pression imposée aux fluides intemes à la sonde (4) en considérant l'équilibre statique de la membrane (7) sous l'action des sollicitations des fluides internes (8) et du sol (9). La différence entre les rayons internes et exteme agit en réduisant la pression. En référence à la figure 9,, on mesure la pression de réaction du terrain, à partir de la pression imposée aux fluides internes à la sonde en considérant l'équilibre statique de la membrane sous l'action des sollicitations. La différence entre la longueur déformable (10) de la sonde sur laquelle agit la réaction du terrain, et la longueur de la sonde chargée par les fluides internes (12) agit en réduisant la pression. La sonde (4) peut être protégée par un tube fendu (11) ce qui réduit d'autant plus la pression. En référence à la figure 10, on mesure la pression de réaction du terrain, à partir de la pression imposée aux fluides internes à la sonde en considérant l'équilibre statique de la membrane sous l'action des sollicitations. La différence de pression éventuelle qu'il y a entre le liquide (14) et le gaz (13), ou entre les fluides actionnant les cellules de mesure (6) et de garde (5), est prise en compte dans l'équilibre global de la membrane. En référence à la figure 11, on mesure la déformée le long de la cellule de mesure (15), en prenant en compte la valeur moyenne de la déformée de la sonde, qui est une fonction de la distance par rapport aux extrémités. La déformée est maximum au centre de la sonde, et nulle aux extrémités. En référence à la figure 12, on mesure la valeur moyenne de la réaction du terrain le long de la cellule de mesure (15), en prenant en compte une réaction du terrain proportionnelle à la déformée dans la partie élastique (16), et une réaction du terrain qui n'est pas liée directement à la déformée dans la partie plastique (17). Les différentes étapes du procédé sont représentées sur l'organigramme de la figure 13. Le premier bloc de mesure consiste en la mesure de l'effort de déformée à vide de la sonde. Les deuxième et troisième blocs répétés séquentiellement, constituent la mesure proprement dite. Les blocs de correction correspondent aux calculs présentés cidessus et constituent un traitement de la mesure qui permet d'obtenir la pression et la déformation corrigées du terrain et une courbe semblable à celle représentée sur la figure 3. Les résultats pression et déformation corrigées, obtenus et classés par niveau de terrain, présentent un grand intérêt. Dans l'exemple décrit, ces courbes donnent beaucoup plus d'informations que la courbe pression et déformation non corrigées obtenues par les essais classiques. Ainsi sur le cycle de déchargement rechargement entre les points D et E du graphe représenté sur la figure 3 et pour des valeurs corrigées, on détermine le module de cisaillement du terrain en place, et le module d'élasticité du terrain, dans la mesure d'une hypothèse sur le coefficient de Poisson. Les résultats pression et déformation corrigées ainsi que pression et variation de pression en fonction du temps, sont représentés sur la figure 14. On détermine la pression de fluage Pf comme le changement de pente sur le graphique pression variation de déformation (b). Pf correspond à la fin de la relation linéaire pression déformation, et au début de la relation non linéaire entre pression et déformation (a). Les valeurs de pression et déformation corrigées qui sont au-delà de la pression de fluage, et pour un chargement monotone croissant, sont représentées en échelle logarithmique sur la figure 15. Les résultats s'alignent le long d'une droite dont la pente est une fonction de l'angle de frottement intergranulaire et de l'angle de frottement interne du terrain. On détermine la valeur de l'angle de frottement interne, par le calcul de la pente de cette droite, et par l'hypothèse d'un angle de frottement intergranulaire. Les différentes étapes du procédé selon l'invention ont été expliquées dans ce qui précéde en référence à des courbes par souci de clarté. On doit comprendre cependant que toutes les opérations peuvent s'effectuer en utilisant des moyens automatiques et des circuits électroniques quelconques appropriés, que ce soit pour la commande des séquences de mesure ou la réception des signaux, leur traitement et les enregistrements, y compris l'établissement des courbes pression déformation, la recherche de la pente du cycle déchargement rechargement sur ce graphe, I'intégration des variations de déformation, la recherche de la pression de fluage, la recherche de la meilleure relation entre les logarithmes de pression et de déformation. En général, on utilisera un calculateur, de type analogique ou numérique. Naturellement, bien des variantes autres que celles qui ont été signalées dans le courant de la description, peuvent être apportées à la conception de l'installation et à la mise en oeuvre du procédé, sans sortir pour autant du cadre de l'invention. Revendications 1. Procédé d'essai de forage pour déterminer les caractéristiques mécaniques du terrain à différents niveaux sélectionnés, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: - Effectuer des mesures d'effort de déformée à vide de la sonde. - Effectuer des mesures de déformée de la sonde à des intervalles de temps croissants, pour une série de paliers de pression imposée. - Procéder à une séquence de pression imposée croissante, puis à un cycle déchargement rechargement, enfin à une série de pression croissante. 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'étape de correction des mesures comprend les opérations suivantes - Corriger la pression de la valeur de la déformation à vide de la sonde - Corriger la pression de la valeur de la dénivellée hydraulique - Corriger la pression de la valeur de la hauteur de nappe phréatique - Corriger la pression par suite de l'influence de l'épaisseur de la membrane - Corriger la pression par suite de l'influence de la différence de longueur entre la partie déformable de la sonde et la partie chargée par les fluides internes - Corriger la pression par suite de l'influence de la différence de pressions entre les fluides utilisés - Corriger la pression par suite de l'influence de la réaction élastique et plastique du terrain - Corriger la déformée de la valeur de la déformée des tubulures - Corriger la déformée de l'influence due à la différence entre la déformée totale de la sonde et la déformée moyenne de la partie de sonde réservée à la mesure. 3. Procédé selon les revendications 1 et 2, dans lequel on effectue une mesure de la relation linéaire entre la pression et la déformation corrigée sur le cycle déchargement rechargement, en vue de déterminer le module de cisaillement du terrain. 4. Procédé selon les revendications 1 et 2, dans lequel on détermine la pression de fluage, soit par le changement de pente de la courbe pression variation de déformation corrigée, soit par le passage de la partie linéaire à la partie non linéaire de la courbe pression déformation corrigée, soit les deux à la fois. 5. Procédé selon les revendications 1, 2 et 4, dans lequel on détermine l'angle de frottement interne du terrain au moyen de la pente de la droite reliant les logarithmes de la pression corrigée à la déformée corrigée, pour des valeurs de pression au-delà de la pression de fluage.