Brevet FR2694333A1 — publié le 19940204

PROCEDE ET DISPOSITIF DE SONDAGE D'UN VOLUME DE SOUS- SOL. La présente invention a pour objet un procédé de sondage d'un volume de sous-sol destiné à permettre, par une opération simple, la connaissance de la nature et de la consistance des terrains. Le problème de la nature du sous-sol se pose pour la construction d'ouvrages importants, le percement de tunnels et la recherche pétrolière, entre autres. Dans le domaine de la recherche pétrolière, il est connu de réaliser des diagraphies différées et, au moyen de celles-ci ,d'obtenir la mesure de résistivité des formations traversées le long d'un sondage préalable à un forage. A cet effet, on utilise une sonde dite normale portant de quatre à six électrodes à l'aide desquelles est mesuré le log de résistivité. Le principe de cette mesure consiste à injecter un courant continu dans le terrain, sous une tension de 200 à 600 volts avec une intensité de 200 à 400 milliampères, et à mesurer la différence de potentiel induite entre deux électrodes de potentiel, et d'en déduire la résistivité locale, le résultat étant disponible en Ohms.mètres. Mais, avec un tel système, I'investigation latérale est de l'ordre de un mètre autour du sondage. II en résulte que, pour connaître la nature exacte du sous-sol, les forages doivent être multipliés ce qui est long et, par suite, coûteux. La présente invention a pour objet un procédé d'investigation d'un volume de sous-sol permettant de pallier cet inconvénient et de permettre en une seule opération la détermination de l'homogénéité de nature d'un volume de sous-sol important en une seule opération. A titre d'exemple, la présente invention permet d'ausculter un volume cylindrique d'un diamètre de 1 à à 100 mètres autour d'un trou de sondage que ce trou soit vertical , horizontal ou incliné. Selon la présente invention, le procédé de sondage par mesure électrique par injection d'un courant continu au moyen de deux électrodes (A,B) et mesure de la tension développée entre deux électrodes de potentiel est caractérisé en ce qu' il consiste à disposer , dans un forage, une sonde portant un ensemble d'électrodes d'injection (A) et un ensemble d'électrodes de mesure (M) réparties selon un pas fixe sur toute la longueur de la sonde et à alimenter successivement toutes les électrodes (A). La sonde selon l'invention utilise trente cinq électrodes , par exemple, disposées sur toute la longueur ou hauteur du forage (quinze, trente ou soixante mètres). La seconde électrode d'injection B est reportée à l'infini, ( pratiquement quelques centaines de mètres) et l'électrode A est "mobile", plusieurs électrodes A étant successivement alimentées. Le nombre d'électrodes A est supérieur au nombre d'électrodes M de manière à pouvoir faire varier la distance A- Ma, Mb pour obtenir un sondage large autour de la sonde, Ma, Mb désignant un couple quelconque d'électrodes de tension. En injectant un courant continu sur les électrodes A, on obtient en appliquant la loi d'Ohm généralisée à un tripôle ( A, Ma, Mb ) une mesure de résistivité apparente des terrains entre les deux électrodes de potentiel Ma, Mb fixes. Plus l'électrode A s'éloigne de Ma et Mb, plus la résistivité apparente affecte une épaisseur de terrains plus grande à partir de l'axe A, Ma, Mb c'est à dire à partir de la sonde. L'électrode active d'injection apparaît en quelque sorte mobile le long de la sonde ce qui permet d'obtenir des volumes d'exploration importants étant donné que c'est la distance électrode d'injection- électrodes de potentiel qui détermine le profondeur des équipotentielles. Cette profondeur peut ainsi être importante de même que le nombre de points de mesure. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaltront au cours de la description qui va suivre d'un mode de réalisation particulier, donné à titre d'exemple non limitatif en regard des dessins qui représentent: - La Figure 1, un exemple de positionnement des électrodes d'injection et de potentiel; - La Figure 2, un tableau des niveaux de mesures; - La figure 3 un exemple de réalisation d'une sonde: - La Figure 4, deux exemples de résultat de mesures relevées dans un terrain particulier. Sur la figure 1, on voit que l'électrode d'injection A peut prendre un grand nombre de positions, vingt trois dans l'exemple représenté. Il s'agit en fait de vingt trois électrodes qui sont successivement alimentées par un générateur émettant un courant continu de 10 à 300 mA sous une tension de 200 volts, par exemple. Le générateur est inclus dans un coffret comprenant un multiplexeur manuel et un milliampèremètre digital. le dispositif comprend également un coffret de réception incluant un multiplexeur automatique et un millivoltmètre digital. Une centrale d'acquisition et de gestion comprend un ordinateur PC 386 avec son programme de gestion des mesures et des moyens d e mémorisation. Comme schématisé sur la figure I, les électrodes de potentiel M sont au nombre de 12 et occupent les positions MI à M12. Ces positions sont intercalées avec les vingt trois positions de l'électrode d'injection A. En faisant varier les positions de A et des couples Ma-Mb , on obtient, comme représenté sur la figure 2, cent trente deux mesures de résistivité avec six niveaux d'information disposés au droit des centres de symétrie de chaque couples Ma-Mb en fonction de la demi longueur AB et donc en fonction de la profondeur. Au droit de chaque couple Ma-Mb, on obtient deux mesures de résistivité par les deux positions symétriques de A par rapport à Ma-Mb. L'écartement de deux électrodes M peut être quelconque, mais fixe pour un ensemble de mesures données. les positions relatives de A sont alors parfaitement déterminées comme représenté sur la figure 1. Les électrodes sont incluses dans un câble et, pour assurer un bon contact des électrodes et du terrain, on remplit, avant les mesures, le trou de forage avec de l'eau ou de la boue. Toute anomalie de résistivité est repérée et projetée, pour les résultats sur un rayon ainsi que son niveau. Or, les variations de résistivité indiquent des variations de structure du sous-sol. La résistivité est un bon indice de la qualité des terrains en matière de travaux souterrains puisque la plupart des accidents géologiques générateurs de difficultés lors de l'excavation et du soutènement sont argileux avec éventuellement présence d'eau. Ils se traduisent généralement par des résistivités faibles. A contrario, les calcaires ont une résistivité plus élevée qui croît avec les roches primaires telles que le granit, par exemple. Le cylindre permet ainsi de déceler, dans un volume rocheux donné, autour d'un forage toute zone anormale dans un environnement à priori homogène et de la situer précisément en position par rapport aux électrodes de potentiel M. Mais, l'azimut autour du forage n'est bien entendu pas maîtrisé. La figure 3 représente une partie d'une sonde selon l'invention. Elle se compose d'un câble isolé 1 comprenant, par exemple, quarante huit conducteurs.qui sont successivement dégagés de la gaine 2 pour former une boucle 3 qui est ainsi en contact avec le terrain. L'alimentation des boucles A d'injection et des boucles M sont gérées respectivement par les multiplexeurs mentionnés précédemment. Bien entendu, le nombre d'électrodes d'injection et de potentiel peut être quelconque. La figure 4 représente le résultat obtenu au cours de deux forages de prospection. Ces forages peuvent être de faible section puisque la section de la sonde est elle-même très faible. Les deux schémas représentent des pseudo-sections qui rendent compte de toute anomalie détectée dans un cylindre entourant la sonde.Les lignes figurant à l'intérieur de chaque section sont des lignes d'isorésistivité, cette grandeur étant exprimée en ohm.mètres En haut de la ligne représentant le forage, on trouve de la terre végétale sur une hauteur de l'ordre de 1 mètre, puis, dans l'exemple représenté, des couches de calcaire gris bleuté légèrement argileux.Sur la figure de gauche, on voit que les lignes d'isorésistivité sont concentrées autour du trou de forage. II s'agit, et cela a été corroboré par un carottage, d'une couche dense de calcaire massif gris bleuté légèrement argileux. Mais dès que l'on s'éloigne de l'axe du forage, les lignes deviennent plus espacées ce qui traduit une résistivité plus faible. Il s'agit de couches d'argile plus ou moins déconsolidé avec quelques passages de blocs de calcaire. La figure de droite représente les résultats d'un forage qui a été effectué au voisinage du premier forage et qui confirme l'existence de couches d'argile. Le procédé selon l'invention rend compte de tout accident géologique se produisant dans un rayon donné autour du forage de sondage, mais sans indiquer la position exacte de cet accident. Les applications du procédé sont immédiates: Reconnaissance autour de forages verticaux. L'investigation latérale est fonction de la profondeur réelle de l'ouvrage et peut etre augmentée; reconnaissance à l'avancement dans des forages horizontaux, notamment dans le cas d'ouvrages souterrains avec tunnelier et elle permet de repérer les karsts ou dolines ainsi que les hétérogénéités lithologiques. Il peut également être mis en oeuvre dans les forages pétroliers pour repérer les structures et dans les opérations préalables à la fracturation hydraulique des roches. il va de soi que de nombreuses variantes peuvent être apportées, notamment par substitution de moyens techniquement équivalents, sans sortir pour cela du cadre de l'invention. REVENDICATIONS I0 Procédé de sondage par mesure électrique de la résistivité par injection d'un courant continu au moyen de deux électrodes (A,B) et mesure de la tension développée entre deux électrodes de potentiel M, caractérisé en ce qu' il consiste à disposer, dans un forage, une sonde portant un ensemble d'électrodes d'injection (A) et un ensemble d'électrodes de mesure (M) réparties selon un pas fixe sur toute la longueur de la sonde, l'électrode (B) étant repoussée à l'infini, et à injecter une tension successivement sur toutes les électrodes (A). 2" Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend, deux multiplexeurs respectivement d'injection et de lecture reliés, d'une part à un ensemble de conducteurs contenus dans un câble et, d'autre part, à une centrale d'acquisition et de gestion des mesures.