Brevet FR2693000A1 — publié le 19931231

La présente invention a pour objet un outil autonome d'imagerie de microconductivité des formations superficielles. Le domaine d'application concerne la reconnaissance des sédiments superficiels sur la plan sédimentologique, recherche de polluants, géotechnique ou autres applications nécessitant une reconnaissance fine des formations superficielles. On peut classer l'ensemble des moyens de reconnaissance du sous-sol en cinq familles bien connues des hommes de l'art: - les diagraphies différées - ou diagraphies électriques - en forage, - les diagraphies instantanées, - les mesures in situ en cours de forage, appelées dans le domaine péko- lier avec son abréviation anglaise MWD pour " Measuring While Drilling", - les mesures pour le suivi des paramètres d'exploitation de réservoirs pétroliers, - les mesures dans les formations superficielles, à finalité de reconnaissance géotechnique - terrestre ou marine -. Les diagraphies différées ou diagraphies électriques, ou encore opérations de carottage électrique, englobent l'ensemble des mesures réalisées après forage pendant lesquelles on enregistre en continu, en fonction de la profondeur, des paramètres physiques des formations traversées par le forage. Comme ces mesures se sont substituées aux opérations de carottage mécanique qui étaient, avant la mise au point des diagraphies électriques, le seul moyen d'analyse des paramètres physiques des formations traversées, on les a longtemps appelées carottages électriques. La figure 1 schématise une opération de diagraphie électrique. Un outil 1 est descendu dans le forage par l'intermédiaire d'un cable électroporteur 2 le reliant à un treuil 3 intégré dans un camion laboratoire 4. L'appellation diagraphies différées provient du fait qu'elles sont effectuées à la fin de chaque phase de forage dans le découvert 13 - zone forée non proté gée par le tubage 12 -. Ces mesures ne peuvent être effectuées sans la réalisation préalable d'un forage. L'appellation "diagraphie instantanée" englobe l'ensemble des analyses réalisées pendant le forage et schématisées sur la figure 2, sur les débris de formation 7 remontés à la surface par la boue de forage 8 et des enregistrements des paramètres mécaniques du forage lui-même, à savoir avancement ou vitesse de pénétration de l'outil de forage 5, vitesse de rotation des tiges de forage 6, poids sur l'outil de forage, débit de boue de forage - assuré par les pompes 14 - circulée dans les tiges de forage 6. Les mesures en cours de forage dites MWD sont différenciées des précédentes parce qu'elles sont réalisées à l'aide d'outils mis en place dans des tiges spéciales 9 proches de l'outil de forage 5; ces outils disposent d'une source d'énergie interne et envoient leurs informations à la surface sans avoir recours à une liaison électrique. La boue de forage par exemple peut être utilisée comme vecteur d'information en transmettant les données sous forme d'ondes de pression codées, détectées en surface. Ces mesures ont pour principal intérêt de mesurer en cours de forage des paramètres physiques des formations traversées ou de suivre en permanence la trajectoire du puits, permettant si besoin est, d'intervenir pour la corriger. Bien évidemment, l'environnement et les contraintes de ces outils ne permettent pas d'obtenir une résolution similaire à celle des outils de diagraphies différées. Par ailleurs, seules quelques mesures peuvent être réalisées de cette façon. Toutes les mesures nécessitant l'application de capteurs ou d'électrodes sur la paroi du forage en cours de mesure, ne sont pas réalisables dans ce type d'application. Le brevet 2536 005 concerne un procédé de réalisation d'un groupement d'électrodes - représenté sur la figure 2bis -sur un train de tiges de forage pour effectuer des mesures de résistivité des formations en cours de forage. Le diamètre extérieur de ces électrodes est le même que celui des tiges de forage. Ces électrodes ne s'appliquent donc pas sur la paroi du forage. Par ailleurs elles sont affectées en permanence d'un mouvement de rotation. Le suivi des paramètres d'exploitation d'un réservoir in situ nécessite l'utilisation d'outils laissés au fond pendant un certain temps. Pour simplifier la mise en oeuvre de ces outils, représentée sur la figure 3, on peut intégrer dans l'outil de fond 15 une mémoire, capable de stocker les données pendant toute la durée du suivi. L'outil 15 est alors autonome sans aucune liaison électrique avec la surface. La dernière famille concerne la reconnaissance des formations superficielles qui fait appel principalement à deux types de mesure: - analyses sur échantillons (carottes ) prélevés à l'aide de systèmes mécaniques plus ou moins élaborés tels que: carottage gravitaire, où le carottier est mis en place dans les sédiments sous le seul effet d'un lest placé en partie supérieure de celui-ci, carottage par percussion, carottage par rotary, carottage par vérin hydraulique, - mesures in situ de paramètres mécaniques des formations telles que: dilatomètres, pénétromètres... Les sédiments superficiels étant meubles et instables, il ne peut y être réalisé de forages, ce qui exclut l'utilisation de diagraphies différées. Le brevet 2 787 par exemple, décrit un tel dispositif à conduite flexible permettant d'effectuer des opérations de carottage et mesures in situ dans les fonds sous-marins. L' objet de ce brevet est justement de permettre de poursuivre des opérations de forage dans de tels sédiments par la mise en place d'un tubage intermédiaire évitant les retombées de sédiments. Un exemple est schématisé sur la figure 4. A la profondeur où l'on sou haite faire des mesures, l'outil 10 est descendu à l'intérieur des tiges de forage 17, à l'aide d'un ombilical 20. Un verrouillage 16 permet à l'outil 10 de s'ancrer dans les tiges 17. Un vérin hydraulique incorporé dans l'outil 10 et alimenté en fluide par l'ombilical 20, permet l'enfoncement de la partie inférieure 18 de l'outil 10 dans les sédiments à instrumenter. La partie inférieure 18 de l'outil 10 est munie d'un cône 19 qui repousse les sédiments le long de l'outil 10 au fur et à mesure de l'enfoncement. L'ombilical 20 transmet les mesures au système d'enregistrement et de traitement de surface. L'intérêt croissant pour la protection de l'environnement, pour une meilleure connaissance de la dynamique sédimentaire en milieu fluvial et côtier a mis en évidence l'absence de moyens d'instrumentation répondant spécifiquement à ces besoins. L'ensemble des moyens listés précédemment ne satisfait pas aux contraintes de mesures dans les sédiments superficiels pour des applications touchant à la protection de l'environnement - pour la recherche de polluants par exemple - ou à la connaissance de la dynamique sédimentaire: - la résolution des mesures courantes en diagraphie différée n'est pas assez fine, la valeur moyenne par mesure étant représentative d'une sphère de formation de 20 à 30 centimètres de rayon, - ces mêmes mesures nécessitent la réalisation préalable d'un forage, - dans le domaine de l'instrumentation des sédiments superficiels, les ou- tils actuels sont orientés exclusivement vers la mécanique des sols et ne présentent qu'un faible intérêt pour les applications ci-dessus. D'un développement récent en forage pétrolier et bien connues des hommes de l'art, les mesures d'imagerie microrésistive peuvent répondre à ces besoins quant à la résolution et au paramètre physique analysé: - elles présentent une résolution très fine de l'ordre du millimètre, - le paramètre physique analysé -la conductivité de la formation se trouvant en face des électrodes de l'outil - présente une dynamique de mesure très intéressante, du centième de IlS/cm à quelques milliers de ,uS/cm environ, - ce même paramètre physique peut être très sensible à la présence de certains polluants comme les hydrocarbures, - enfin l'outil comprend un module d'orientation permettant d'obtenir des images artificielles des formation traversées, orientées dans l'espace. Un cas de mise en oeuvre d'un tel outil est représenté figure 1. Les patins, articulés sur le corps de la sonde I descendue à l'extrémité du cable électroporteur 2, sont munis d'électrodes 56 en contact, pendant les mesures, avec les parois du forage. Un potentiel fixe est maintenu entre ces électrodes 56 et une électrode dite de retour. On mesure le courant qui circule entre chaque électrode et l'électrode de retour, située, en général, en partie supérieure de la sonde. Le courant mesuré est proportionnel à la conductivité de la formation se trouvant derrière les électrodes. Le coefficient de proportionnalité k entre l'intensité i du courant mesuré et la conductivité dépend de la géométrie du système d'émission de courant. Dans ce type d'application le patin support des électrodes de mesure est isolé de celles-ci et maintenu au même potentiel que les électrodes pour que le courant, circulant perpendiculairement aux équipotentielles, soit focalisé à l'intérieur de la formation. L'amplitude des différents courants mesurés est ensuite représentée sous forme d'image, selon un code de couleur; par exemple du plus clair pour les formations très résistives, au plus foncé pour les formations très conductives. Un module d'orientation présent dans la sonde et pouvant être composé par exemple de 2 accéléromètres, pour le positionnement de la sonde dans le puits, et d'un magnétomètre pour connaître sa position par rapport au nord magnétique, permet de présenter l'image de microrésistivité ainsi obtenue orientée dans l'espace. Les brevets 8910582 et 8702973 décrivent l'un et l'autre des sondes d'imagerie microrésistive pour forage permettant d'augmenter la couverture spatiale des électrodes sur les parois du puits. En effet, le corps de la sonde a un diamètre extérieur fixe, alors que celui d'un forage peut varier dans de très larges proportions et passer par exemple de 200 millimètres à 300 millimètres ou plus dans la même zone à enregistrer. L'objet de ces brevets est d'arriver à une couverture spatiale maximale des parois par le faisceau d'électrodes, même quand le diamètre du puits est le double de celui du corps de la sonde. Ces sondes ne satisfont pas aux contraintes liées à la reconnaissance des formations superficielles où l'outil de mesure doit être enfoncé, sans forage préalable, dans les sédiments à analyser. Par ailleurs, le principe de mesure ne pourrait être transposé sur les sondes usuelles dans le domaine de la reconnaissance superficielle, du genre pénétromètres, car la configuration de ces outils ferait que, au cours de l'enfoncement, l'outil perturberait partiellement l'agencement des sédiments en place avec le risque de donner une image non représentative de la réalité. L'outil selon la présente invention satisfait aux contraintes énoncées précédemment et permet: - sans forage préalable, - sans modification de la structure des sédiments, de réaliser des images de microconductivité des formations superficielles traversées par l'outil sur plusieurs mètres de profondeur. La description en sera mieux comprise à l'aide de la figure 5 représentant une possibilité de mise en oeuvre d'un tel procédé. La sonde 26 selon le procédé est connectée en partie supérieure par un bras 25 à un moyen d'enfoncement 22. Le bras 25 est muni, du côté moyen d'enfoncement 22, d'un écrou 24 fixe. Ce moyen d'enfoncement comprend un mât 22, supportant un système de motorisation 21, et une attache 31 à un moyen extérieur capable de supporter la réaction du sol à l'enfoncement et adapté à l'environnement du point de mesure. Le système de motorisation 21 entraîne en rotation une vis sans fin 23; cette rotation permet le déplacement en translation verticale de la sonde 26, en enfoncement ou en retrait selon le sens de rotation de la vis. Les électrodes de mesure 56 sont montées en partie inférieure de la sonde 26 sur un élément cylindrique 29 dont le diamètre est supérieur à celui du corps de la sonde 26. La liaison mécanique entre le corps de la sonde 26 et le support d'électrodes 29 est conçue de façon à pouvoir laisser passer les sédiments 30 au cours de l'enfoncement de la sonde, dans l'annulaire situé entre le corps de la sonde 26 et l'ouverture découpée dans les sédiments par le support d'électrodes 29. Dans une réalisation préférée de l'invention, cette liaison est réalisée à l'aide de bras 27 constitués de tubes soudés d'un côté sur le support d'électrodes 29 et de l'autre sur la partie inférieure de la sonde 26. Ces tubes servent par ailleurs au passage des conducteurs qui assurent la liaison électrique entre les électrodes 56 et l'électronique de mesure située à l'intérieur de la sonde 26. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, la cartouche électronique 45 contient l'ensemble de l'électronique à savoir, schématiquement et sans limitation,: - circuits analogiques d'amplification de toutes les voies de mesure, - multiplexage, - enregistreur, - alimentation programmable des électrodes, - alimentations de servitude nécessaires à chacun des blocs ci-dessus. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, le support électrodes 29 contient un module électronique 57 séparé de la cartouche 45 pour l'amplification et le multiplexage des courants de mesure des électrodes 56 ce qui permet de limiter le nombre de conducteurs 58 entre l'électronique d'amplification et de multiplexage 57 et la cartouche 45; par ailleurs cela diminue la sensibilité des mesures aux parasites pouvant être récupérés sur ces conducteurs 58 entre le support 29 et la cartouche 45. Dans ce dernier mode de réalisation, le reste de l'électronique peut éventuellement être déportée hors de la sonde 26 dans un sous-ensemble 59 (figure 5ter). Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, on peut injecter en partie inférieure de la sonde par des orifices calibrés 28 un fluide, air ou eau, qui permet la remontée des sédiments situés à l'intérieur du support électrodes 29. Sur les figures 5 et Sbis, cette injection est réalisée via l'orifice 41 et un annulaire 43 ménagé entre la gaine 44 de la sonde et la cartouche électrique 45. Par ailleurs pour ne pas mettre le corps de la sonde au même potentiel que les électrodes, la partie intermédiaire 46 entre le porte électrodes 29 et le corps de la sonde 44 est réalisée en matériau isolant. Ces orifices 28 sont orientés pour permettre un affouillement des sédiments 30 et faciliter leur remontée dans l'annulaire entre le corps de sonde 26 et la paroi des sédiments ainsi découpée sans modifier l'agencement des sédiments situés en dessous du support électrodes 29. La configuration du support d'électrodes 29 présente, par rapport aux sondes d'instrumentation superficielle usuelles un double intérêt: - elle minimise une éventuelle modification de l'agencement des sédiments; le bord d'attaque extérieur 53 du support électrodes 29 est vertical; le bord intérieur, en partie basse du support électrodes 29, est légèrement conique; les sédiments sont ainsi découpés ou poinçonnés sans mo dification de leur agencement sur la paroi qui va ensuite être analysée par les électrodes 56; - la friction le long des sédiments est limitée pour l'essentiel à la surface extérieure du support électrodes 29, en raison de la remontée des sédiments par le fluide injecté en bas de sonde par les orifices 28; l'effort d'enfoncement est donc minimisé par rapport à une sonde traditionnelle. Dans un autre mode de réalisation, la partie inférieure de la sonde 26 est modifiée pour pouvoir prendre une carotte pendant l'enfoncement de la sonde 26, en même temps que s'effectuent les mesures d'imagerie. La figure 6 présente une exemple possible de cette réalisation selon le procédé: - la partie inférieure de la sonde 26 est modifiée pour pouvoir constituer un carottier 32 qui va recevoir les sédiments au fur et à mesure de l'enfoncement de la sonde 26, - le support électrodes 29 est monté directement en partie inférieure du carottier, - une partie isolante 46 est intercalée entre le support électrodes 29 et le carottier 32, - l'annulaire 43 entre la gaine extérieure 44 du carottier et la gaine intérieure permet de passer le fluide ainsi que les connections électriques étanches entre les électrodes et l'électronique, - éventuellement, un piston tampon 33, protège l'échantillon 35 d'une possible contamination extérieure. Dans un autre mode de réalisation représenté figure 6bis, le carottier est constitué d'une seule gaine munie sur son diamètre extérieur de rainures 60; certaines rainures sont utilisées pour la mise en place de conduites 34 pour la circulation du fluide; d'autres rainures sont utilisées pour passer les connections électriques 54 entre les électrodes 56 et l'électronique 45. La figure 7 montre une des possibilités de mise en oeuvre d'une sonde selon le présent procédé: - le rythme de scrutation des mesures, le potentiel entre les électrodes de mesure et l'électrode de retour, avant mise en oeuvre de la sonde, sont programmés par un ordinateur 36, via une liaison amovible 37 connectée en partie supérieure de la sonde 26; un bouchon étanche 38 vient ensuite protéger le connecteur de la sonde 26 pendant sa mise en oeuvre en cours d'enfoncement et de retrait, - les mesures de conductivité sont effectuées pendant l'enfoncement ou le retrait de la sonde 26, ceux-ci étant réalisés par l'intermédiaire de la motorisation 21, - la motorisation 21 peut être mise en oeuvre de l'extérieur, manuellement; - dans un autre mode de réalisation, la motorisation 21 est commandée par l'électronique 45 via une commande interne à retard programmable; - un capteur 39, pouvant être un capteur de proximité, détecte le début de l'enfoncement et démarre le cycle de scrutation des électrodes, - un capteur 41 mesure la vitesse de rotation de la vis 23; l'électronique de la cartouche 45, tenant compte du temps et du pas de la vis sans fin, calcule la vitesse de déplacement de la sonde 26 et commande les cycles de scrutation en fonction du rythme préalablement programmé, - une fin de course 40 détecte l'arrivée en butée du bras 25 et arrête la scrutation des électrodes; en automatique, il peut commander le retrait de la sonde 26, - les informations électriques des capteurs 41, 39 et 40 sont transmises à l'électronique de la cartouche 45 par le cable 42 connecté à la sonde via le bouchon étanche 38, - dans un mode intéressant de réalisation de l'invention, l'électrode de retour est implantée hors de la sonde, dans les sédiments, à quelques mètres de la sonde 26 et du mât 22. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, la sonde est autonome et toutes les informations sont mémorisées dans des mémoires sta tiques dans l'électronique de la sonde 26. Les informations ainsi stockées, sont transférées dans la mémoire de l'ordinateur, après retrait de la sonde, avec une liaison similaire à la liaison 37. Dans un autre mode de réalisation, la sonde 26 est reliée directement en cours de mesure à des moyens d'enregistrement 36 situés en surface. Le connecteur du bouchon étanche 38 permet alors, outre la liaison entre les capteurs 39, 40 et 41 et l'électronique 45, la transmission aux moyens d'enregistrement de surface des informations de la sonde via le cable 37. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, le capteur de fin de course 40 peut être positionné à la volonté de l'opérateur le long du support 22 pour pouvoir imposer la course d'enfoncement en fonction des besoins. La figure 8 présente un autre mode de réalisation de l'invention dans lequel un ou plusieurs prolongateurs mécaniques 43 peuvent être superposés à la sonde 26 pour pouvoir augmenter la profondeur d'enfoncement de la sonde 26; le cable étanche 42 doit alors avoir la longueur suffisante pour assurer la course ainsi obtenue; les prolongateurs 43 assurent la continuité mécanique, hydraulique et électrique dans le cas de l'utilisation en carottier. La figure 9 présente un exemple possible de réalisation de l'invention adapté à des mesures dans les sédiments marins. La sonde 26 et son support 22 sont fixés à un bâti 47 qui est descendu au fond de la mer à l'aide d'un cable 48 relié à des moyens de manutention 49 d'un bateau 50. Par sécurité, une bouée 51 peut être placée à quelques mètres au dessus du point d'ancrage 52 pour pouvoir disposer de "mou" dans le cable pour absorber sans risque les variations de positionnement du bateau sous l'effet des vagues. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, l'ensemble bâti 47, sonde 26, support 22 est totalement autonome et dispose d'une source d'énergie pour la motorisation d'enfoncement et de retrait; la commande d'un cycle de mesure est effectuée depuis le bateau 50, ou le véhicule support dans le cas d'une mise en oeuvre depuis le milieu terrestre, par exemple avec des signaux acoustiques perçus par un récepteur 53. Dans un autre mode de réalisation, le cable 48 est électroporteur et est utilisé pour la commande de l'enfoncement et du retrait de la sonde de puis le bateau 50, ou le véhicule support. Dans d'autres modes de réalisation de l'invention, les mouvements d'en foncement et de retrait peuvent être réalisés par un ou des vérins hy drauliques, qui remplacent alors l'ensemble motorisation 21, vis sans fin 23 et écrou 24. REVENDICATIONS I) Outil autonome pour réaliser une image de la microconductivité des sédiments superficiels sans forage préalable, caractérisé en ce qu'il comprend: - une sonde 26 connectée en sa partie supérieure par un bras 25 relié via un écrou 24, fixe, à la vis sans fin 23 d'un moyen d'enfoncement 22, équipé d'un système de motorisation 21 pour l'entraînement de la vis sans fin 23, et d'un capteur de vitesse de rotation de la vis 23 et de détecteurs de fins de course, - munie en sa partie inférieure d'un support 29 d'électrodes 56, support de forme cylindrique à l'extérieur, d'un diamètre supérieur à celui du corps de la sonde 26 et relié au corps de sonde par des bras 27, - équipée d'un système d'injection de fluide circulant dans l'annulaire 43 de la sonde 26 entre le corps extérieur 44 et la cartouche électronique 45 pour être finalement injecté à l'intérieur du support 29 pour remonter les sédiments, - équipée de l'électronique de mesure des courants injectés dans les sédiments, de multiplexage, et des moyens de mémorisation des mesures ainsi réalisées. 2) Dispositif selon la revendication I, caractérisé en ce que la partie inférieure de la sonde 26 est équipée d'un carottier 32, lui-même muni en partie inférieure du support électrodes 29. 3) Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le passage des connections électriques 54 entre les électrodes de mesure 56 et l'électroni- que 45 est réalisée dans des rainures 60 pratiquées sur l'extérieur de la gaine du carottier 32, certaines rainures pouvant être par ailleurs utilisées pour la mise en place de conduites 34 pour la circulation d'un fluide dans l'annulaire entre le diamètre extérieur du carottier 32 et les sédiments. 4) Dispositif selon les revendications 1, 2 et 3, caractérisé en ce que le support d'électrodes 29 contient l'électronique 57 d'amplification et de multiplexage des courants de mesure des électrodes 56. 5) Dispositif selon les revendications 1,2 et 3, caractérisé en ce que le système d'enfoncement et de retrait 22 est réalisé à l'aide de vérins hydrauliques. 6) Dispositif selon les revendications 1,2 et 3, caractérisé en ce que des prolongateurs 43 peuvent être intercalés entre la sonde 26 et le bras d'enfoncement 25 pour pouvoir augmenter la profondeur d'enfoncement de la sonde. 7) Dispositif selon les revendications 1,2 et 3, caractérisé en ce que les mesures de la sonde 26 peuvent être enregistrées en temps réel via un cable électroporteur 37 par des moyens d'enregistrement de surface 36. 8) Dispositif selon les revendications 1, 2 et 3, caractérisé en ce que l'ensemble de la sonde 26 et des moyens d'enfoncement 22 peuvent être mis en oeuvre pour des mesures dans les sédiments marins par l'intermédiaire d'un cable porteur 48, de moyens de manutention 49, d'un bateau 50, d'une source d'énergie autonome et de moyens de commande acoustiques détectés par un récepteur 53. 9) Dispositif selon les revendications 1, 2, 3 et 8, caractérisé en ce que le cable 48 est électroporteur et sert de liaison électrique entre le bateau 50 et la sonde 26. 10) Dispositif selon les revendications 1, 2, 3 et 4, caractérisé en ce que l'électronique 45 est déportée hors de la sonde 26.