Brevet FR2694399A1 — publié le 19940204

La présente invention concerne l'évaLuation de la dureté relative des différentes couches d'un terrain ; elle a trait à un procédé destiné à cette évaluation et à un appareil pour sa mise en oeuvre. On sait que pour obtenir le résultat recherché, on associe jusqu'à présent à un outil de forage tournant percutant ou non, un capteur sensible aux vibrations et chocs subis par le train de tiges et L'outil de forage. Ce dernier pénètre dans le sol pour détruire successivement les différentes couches rencontrées. Une partie de L'énergie développée assure la pénétration de la tête de l'outil, tandis qu'une autre partie de cette énergie est réfléchie et remonte vers la surface le long du train de tiges de l'outil. Il va de soi que le capteur enregistre aussi bien les chocs dûs à l'énergie développée pour détruire le sol que ceux provenant de lténer- gie de réflexion Plus le terrain est dur, plus la vibration réfléchie est importante, de sorte qu'ainsi on peut déterminer la dureté relative des couches traversées par ltoutil de forage. La difficulté réside à extraire L'information correspondante à la vibration réfléchie par rapport au signal global restitué par le capteur, c'est-à-dire le choc incident (dans Le cas de machines de forage tournante et percuttante) plus la vibration réfléchie plus tous les bruits environnants. En réalité, le capteur fournit dans une même courbe de tension des fréquences diverses qui sont la somme du groupe des fréquences liées à l'énergie fournie à l'outil et du groupe des fréquences de réflexion. Actuellement, cette mesure est essentiellement de nature analogique. Elle consiste, après filtrage, à intégrer à L'aide d'un réseau résistance + capacité (RC), le signal issu du capteur. Cette intégration peut porter sur une durée constante ou sur une distance forée constante. Dans le cas où l'intégration porte sur une durée constante de relevé de la tension présente aux bornes de la capacité, le résultat de l'intégration est à rattacher à un nombre de centimètres de course variable, ce qui entraîne une perte de précision, puisque La mesure porte sur une distance variable. Plus la vitesse de forage est élevée, moins la précision est grande. Dans le cas où L'intégration porte sur une distance forée constante (1 cm par exemple), on relève la tension aux bornes de la capacité en séquence chaque fois que L'outil a avancé de i cm dans cet exemple. L'inconvénient de cette méthode provient de l'étroite corrélation entre le nombre de coups de marteau (machines tournantes et percutantes) donnés ou le nombre de tours de l'outil (machines tournantes) et le ré sultat de l'intégration. Dans les terrains tendres, la vitesse d'avance est rapide et donc le nombre de coups de marteau donnés ou de tours de L'outil dans la distance de 1 cm d'avance sera peu élevé, d'où un résultat d'intégration faible. Au contraire, si l'outil rencontre une couche dure, la vitesse est lente, le nombre de coups de marteau ou le nombre de tours est élevé et le résultat de L'intégration est important. La courbe ainsi obtenue est pratiquement identique à celle obtenue avec le temps d'avance, c'est-à-dire Le temps nécessaire en secondes pour forer 1 cm, du fait de la dilution de l'information recherchée dans le résultat global.En outre, le circuit analogique couramment utilisé est une autre source d'imprécisions (dérives, courant de fuite, etc...). Les différentes machines de forage n'ayant pas toutes la même puissance et les fréquences courantes de frappe variant de 10 à 60 Hz, il faut donc avoir un moyen de réglage permettant d'adapter la mesure effectuée aux différents cas, (choix d'une calibration). Dans les mesures de type analogique, un "offset" ou bruit de fond est largement diminué par un réglage, tandis que le signal de réflexion est amplifié. Les perfectionnements qui font l'objet de la présente invention visent à remédier aux inconvénients précités et à permettre la mise en oeuvre d'un procédé de mesure relative de la dureté des couches que l'outil de forage traverse qui soit susceptible de répondre mieux que jusqu'à présent aux desiderata des techniciens et en particulier de permettre un réglage entièrement numérique et programmable. Suivant L'invention, les informations de tension fournies par le capteur de manière continue sont intégrées. Le résultat de cette intégration est relevé chaque fois que L'outil avance d'une distance constante déterminée (d) fixée dans la pratique à 1 cm. Le dessin annexé, donné à titre d'exemple, permettra de mieux comprendre L'invention, les caractéristiques qu'elle présente et les avantages qu'elle est susceptible de procurer Fig. 1 est un schéma par blocs illustrant le traitement analogique du signal fourni par le capteur en vue d'obtenir un signal exploitable. Fig. 2 est un schéma illustrant les deux premières phases du traitement analogique illustré en fig. 1 Fig. 3 illustre la fonction de filtrage du signal par un filtre passe-haut et par un filtre passe-bas. Fig. 4 est un diagramme par blocs illustrant le traitement numérique de l'information issue du traitement analogique illustré en fig. 1. Fig. 5 montre l'intégration de la courbe du signal issu du traitement analogique de fig. 1. Fig. 6 est la courbe de l'énergie de réflexion en fonction de la profondeur de forage qui illustre les valeurs de cette énergie dans chacune des couches géologiques traversées. A la manière usuelle, on fournit au capteur 1 (fig. 1) une tension de 15 volts à une borne la, et une tension de - 15V à une seconde borne lb, la troisième borne lc étant mise à la masse. Le capteur émet en continu une tension U de + 5 volts, suivant les accélérations, (vibrations positives et négatives détectées) qui attaque une résistance Ri. On notera que la résistance Ri constitue une protection en cas de court-circuit sur le câble de mesure 2. Le signal de tension U1 entre ensuite dans un tampon 3 dont le schéma est illustré en fig. 2. La tension U1 est dans la plupart des cas transmise par un câble de grande longueur 2 au tampon 3 du fait de la position du capteur au droit de la tête de forage et de celle de L'appareil de traitement au niveau du sol. Dans le tampon 3, une résistance R2 est branchée entre l'entrée du câble 2 dans ce tampon et la masse. En fait, le câble 2 aboutit à la borne + d'un amplificateur opérationnel usuel 3a disposé dans le tampon 3 et dont la borne - est reliée à la sortie dudit amplificateur par un conducteur 3b en traversant une résistance R3. On observe qu'une résistance R4 est branchée entre le conducteur 3b, avant la résistance R3, et la masse. La résistance R2 oblige le capteur à débiter un courant car L'entrée + de l'amplificateur opérationnel 3a présente une impédance d'entrée très importante considérée comme infinie. Ceci permet une immunisation au bruit engendré. A L'entrée + de l'amplificateur opérationnel, on aura une tension de telle sorte que cet amplificateur a pour but de remultiplier le signal U par le facteur pour lui redonner une valeur U égale à sa valeur originelle. On choisit les valeurs des résistances Ri à R4 de manière qu'on ait la relation Le signal U est alors filtré dans un filtre passe-haut 5 qui supprime les basses fréquences et permet donc d'atténuer, voire de supprimer, la mesure des chocs incidents (qui se situent entre 10 et 60 Hz) ainsi que le bruit environnant entre autres, dont la fréquence est de 50 Hz. En conséquence, ce filtre 5 ne laisse passer que les signaux à haute fréquence qui sont significatifs des vibrations réfléchies. La sortie du filtre 5 est filtrée dans un filtre passe-bas 6 qui élimine les trop hautes fréquences, c'est-à-dire qu'il permet de sélectionner les signaux dont la fréquence est en deçà de celle propre du capteur 1 pour éviter les phénomène de résonnance de celui-ci. Ce filtre 6 permet également de respecter le théorème de SHANNON suivant lequel la fréquence maximale est inférieure à la moitié de la fréquence échantillon. Les filtres 5 et 6 constituent donc une fenêtre fréquentielle illustrée en fig. 3. La sortie du filtre 6 passe ensuite dans un redresseur électronique de tension 7 de type classique fonctionnant sans perte de tension, celle-ci étant de 1,2v pour un pont de diodes. Ce redresseur permet de ramener la courbe du signal à des valeurs qui soient toutes positives (fig. 5). Enfin, la sortie du redresseur pénètre dans un amplificateur opérationnel connu 8. Ce traitement analogique (fig. 1) du signal initial U émis par le capteur 1 permet l'obtention d'un signal de tension A qui est exploité dans la seconde partie de l'appareil suivant l'invention, illustrée en fig. 4 et qui constitue un traitement numérique de ce signal A. Celui-ci entre tout d'abord dans un dispositif d'intégration numérique 9 de traitement, lequel dispositif fait l'intégrale de la courbe représentative 10 (fig. 5) des signaux A successifs en vue d'obtenir la valeur de la surface comprise entre cette courbe 10 et l'axe des abcisses. On obtient ainsi l'image de l'énergie réflechie. Cette intégration s'effetue de manière usuelle et par exemple au moyen d'un micro-processeur classique. On a représenté sur la courbe 10 la fréquence constante 10a du temps d'échantillonnage qui déterminé pour chacune une ordonnée particulière lOb. Le dispositif d'intégration 9 peut être inhibé par un appareil 11 ou porte logique qui reçoit la fréquence d'échantillonnage 10a et des signaux 11a, 116 correspondants à L'absence éventuelle d'avance de l'outil de forage et à la saturation du compteur de temps. Si l'un des si gnaux lla, îîb est manquant, La porte 11 est fermée et le signal 10a n'est pas transmis à l'intégrateur 9 stoppant du même coup le processus d'intégration. Le dispositif 9 inclut en outre un compteur 24 bits. Ce choix est rendu nécessaire par une fréquence d'échantillonnage 10a élevée et par le fait qu'un échantillon est rarement nul, ne serait-ce qu'à cause du bruit environnant. Si l'outil est percutant, la grandeur numérique N sortant de l'intégrateur 9 est fonction de trois paramètres : - la nature du terrain ; - le nombre de coups de marteau ; - la force de frappe de chaque coup de marteau. Bien entendu, le nombre de coups de marteau est fonction d'une part du temps de forage de la distance constante de 1 cm et d'autre part de la fréquence de frappe. Dans le cas d'un outil tournant, donc pas percutant la grandeur N est fonction - de la nature du terrain ; - du nombre de tours de L'outil ; - du couple de rotation. La grandeur numérique N est ensuite introduite dans un système informatique 12 qui ramène cette grandeur N à un nombre de coups de marteau constant ou à un nombre de tours constant, ce qui simule une vitesse de forage constante. En pratique, il faut diviser le résultat N de l'intégration par le temps mesuré nécessaire pour forer la distance choisie (d) de 1 cm, ou ce qui revient au même, il faut multiplier ce résultat N par la vitesse instantanée d'avance mesurée pour parcourir la distance de 1 cm en vue d'obtenir à la sortie du système 12 une information N1 codée sur 24 bits. Ce paramètre de correction ne prévaut pas par sa valeur absolue, mais par le fait qu'il reste proportionnel ou inversement proportionnel au temps de forage de la distance choisie de 1 cm. L'information Ni en 24 bits est traitée ensuite dans un système informatique 13, qui peut par exemple être un micro-processeur, en vue de la ramener sur 8 bits consécutifs (soit 1 octet). A cet effet, on sélectionne parmi les 24 bits, 8 bits supposés significatifs de l'information NI. Cette calibration est rendue nécessaire par la diversités des machines de forage et des terrains rencontrés. On effectue le choix des 8 bits de cette information N1 par des balayages successifs de cette dernière jusqu'à l'obtention d'un résultat signifi catit. Dans la pratique, les 8 bits constituent une "fenêtre octet" qu'on déplace devant les 24 bits de N1 jusqu a ce que le résultat de la sélection soit exploitable. Ce résultat est une information N2 sur 1 octet émise par le système 13. Ce résultat est relevé pour chaque déplacement constant (choisi de 1 cm comme indiqué plus haut) ce qui permet d'obtenir une courbe du genre de celle 14 illustrée en fig. 6 représentant les informations successives N2. On notera que le choix de la position de la "fenêtre octet" permettant d'obtenir une courbe 14 significative des caractéristiques des différentes couches géologiques est déterminé en effectuant un forage d'étalonnage. Les valeurs successives de N2 qui forment cette courbe indiquent que l'outil de forage traverse successivement une première zone 14a de terrain mou, puis deux zones de 14b, 14c de terrains plus durs et enfin une zone 14g de terrain encore plus dur. En fait, La courbe 14 n'apparaît pas, mais elle est la représentation graphique de ta valeur des différentes informations N2 successives émises par le système 13. Les informations successives N2 sont transmises à un appareil 15 qui garde en mémoire un nombre déterminé de ces informations successives N2 qu'il additionne pour obtenir une somme qui est divisée par le nombre choisi en vue de déterminer une valeur moyenne. Une telle opération est effectuée par exemple au moyen d'un micro-processeur. Ainsi, L'appareil 15 effectue une moyenne mobile du nombre déterminé d'informations N2 fixé par exemple à dix valeurs successives. Le résultat se présente sous la forme d'un signal N3 codé sur un octet. Les signaux successifs N3 qui correspondent aux valeurs moyennées des informations successives N2 de la courbe 14 sont affichés sous La forme d'une courbe tracée par une imprimante ou un enregistreur graphique 16 reliée à L'appareil 15. Cette courbe indique la dureté relative de chaque couche géologique traversée par l'outil de forage en fonction de la profondeur de cette couche de la même manière que celle 14 de fig. 6. il doit d'ailleurs être entendu que la description qui précède n'a été donnée qu'à titre d'exemple et qu'elle ne limite nullement le domaine de l'invention dont on ne sortirait pas en remplaçant les détails d'exécution décrits par tous autres équivalents. REVENDICATIONS 1. Procédé de détermination de la dureté relative des différentes couches géologiques rencontrées au cours d'un forage, caractérisé en ce qu'il consiste - à capter les informations de tension émises par un capteur (1) situé au niveau de L'outil de forage ; - à éliminer les bruits parasites en vue de ne conserver qu'un signal de tension significatif de L'énergie de réflexion ; - à filtrer le signal dans deux filtres passe-haut et passebas ; - à redresser la sortie filtrée afin de n'obtenir que des valeurs positives ; - à amplifier le signal redressé pour obtenir un signal (A) exploitable ; - à faire l'intégrale de la courbe (10) représentative des valeurs successives du signal redressé amplifié (A) en choisissant une fréquence de temps constante (10a) d'échantillonnage en vue d'émettre une grandeur numérique (N) ;; - à traiter la grandeur numérique (N) pour l'amener à une information (N1) codée sur 24 bits qui correspond à un nombre constant de coups de marteau ou de tours de L'outil de forage ; - à sélectionner une information (N2) codée sur 8 bits et significative par rapport à l'information (N1) codée sur 24 bits ; - à effectuer un moyennage mobile des informations successives N2 en vue d'émettre des signaux successifs N3 ; - et à utiliser les signaux successifs N3 pour tracer une courbe illustrant les duretés relatives de chaque couche traversée par l'outil de forage en fonction de la profondeur de cette couche. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'in- tégrale de la courbe des signaux (A) est inhibée en cas d'absence d'avance de l'outil de forage et de saturation du compteur de temps. 3. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la grandeur numérique (N) intégrée est divisée par le temps nécessaire pour forer une distance constante choisie (d) en vue d'obtenir l'information (N1) codée sur 24 bits. 4. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la grande numérique (N) intégrée est multipliée par la vitesse instantanée d'avance mesurée pour couvrir la distance (d) en vue d'obtenir l'information (Ni) codée sur 24 bits. 5. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la sélection de l'information (N2) codée sur 8 bits est réalisée en balayant L'information (N1) codée sur 24 bits au moyen d'une fenêtre en 8 bits jusqu'à l'obtention d'une information (NZ) constituant une partie de l'information de (nui) qui soit exploitable.