Brevet FR2713334A1 — publié le 19950609

La présente invention concerne les dispositifs permettant de déterminer la variation de volume d'un corps qui trouvent une application particulièrement avantageuse dans l'étude des variations de volume des roches, sédiments, éléments naturels, etc, constituant les couches géologiques, en effectuant des tests sur des échantillons de ces corps, par exemple des échantillons connus sous le nom de "carottes", lorsque l'on applique artificiellement sur ces échantillons des pressions relativement élevées. Il existe déjà des dispositifs permettant de déterminer la variation de volume d'un corps, mais tous les dispositifs connus de ce type présentent des structures relativement complexes qui induisent des processus de mesure compliqués conduisant à des résultats peu précis. La présente invention a ainsi pour but de réaliser un dispositif permettant de déterminer les variations de volume d'un corps, qui pallie en grande partie les inconvénients des dispositifs connus de l'art antérieur. I'lus us précisément, la présente invention a pour objet un dispositif permettant de déterminer la variation de volume d'un corps dans un milieu ambiant, caractérisé par le fait qu'il comporte: - une enveloppe étanche apte à contenir ledit corps, - un conduit de communication reliant fluidiquement l'intérieur de ladite enveloppe avec le milieu ambiant, - un liquide remplissant l'intérieur de ladite enveloppe et une partie dudit conduit de communication, ledit milieu ambiant et ledit liquide étant nonmiscibles et formant entre eux un dioptre de séparation situé entre les deux extrémités dudit conduit de communication, le milieu ambiant étant d'une densité inférieure à celle du liquide, et - des moyens pour mesurer le déplacement dudit dioptre lorsque le volume dudit corps varie, la valeur du déplacement dudit dioptre étant représentative de la valeur de la variation de volume dudit corps. la présente invention a aussi pour objet un dispositif permettant de déterminer la variation de volume d'un corps, caractérisé par le fait qu'il comporte: - une première enveloppe étanche, - une seconde enveloppe étanche apte à contenir ledit corps, ladite seconde enveloppe étant entièrement contenue dans ladite première enveloppe, - un conduit de communication reliant nuidiquement l'intérieur des deux dites enveloppes, - un premier liquide remplissant l'intérieur de ladite première enveloppe, à l'exception d'un volume résiduel, et une première partie dudit conduit de communication, - un fluide compressible remplissant ledit volume résiduel, - un second liquide remplissant l'intérieur de ladite seconde enveloppe et la seconde partie dudit conduit de communication complémentaire de ladite première partie, lesdits premier et second liquides étant non-miscibles et formant entre eux un dioptre de séparation situé entre les deux extrémités dudit conduit de communication, le premier liquide étant d'une densité inférieure à celle du second liquide, et - des moyens pour mesurer le déplacement dudit dioptre lorsque le volume dudit corps varie, la valeur du déplacement dudit dioptre étant représentative de la valeur de la variation de volume dudit corps. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront au cours de la description suivante donnée en regard des dessins annexés à titre illustratif mais nullement limitatif dans lesquels: La figure l représente, vu en coupe, un premier mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention, permettant de mesurer les variations de volume d'un corps, et La figure 2 représente, vu en coupe également, un autre mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention, permettant de mesurer les variations de volume d'un corps, ce mode de réalisation présentant un perfectionnement par rapport au premier représenté sur la figure l. Bien que les deux modes de réalisation du dispositif selon l'invention respectivement représentés sur les figures 1 et 2 soient différents, dans le souci de simplifier la présente description et pour la rendre plus compréhensible, les mêmes références désignent les mêmes éléments, quelle que soit la figure sur laquelle elles apparaissent et quelle que soit la forme de représentation de ces éléments. En se référant plus particulièrement à la figure l, celle-ci représente un premier mode de réalisation d'un dispositif l permettant de mesurer la variation de volume d'un corps 2, par exemple, mais non exclusivement, un échantillon dénommé "carotte" des roches, sédiments, etc, constituant une couche géologique. Ces carottes se présentent sous la forme de petits cylindres et sont découpées et prélevées dans la masse des couches géologiques, puis ramenées en surface pour permettre aux techniciens d'étudier la composition des couches auxquelles elles appartenaient, notamment dans la perspective d'une exploitation minière du sous-sol ou pour le stockage de certains produits dans ce sous-sol. I.e dispositif l selon la figure l comporte une première enveloppe étanche 3 réalisée en un matériau rigide, par exemple en acier inoxydable ou analogue, avec une épaisseur de paroi suffisante pour pouvoir supporter des pressions élevées, par exemple de l'ordre de cinq cents bars, et même plus pour certaines applications. Dans cette première enveloppe est complètement enfermée une seconde enveloppe étanche 4 apte à contenir le corps t. Comme cette seconde enveloppe 4 est entièrement contenue dans la première enveloppe 3 et comme sa paroi sera soumise à une différence de pression nulle ou très faible, la paroi de cette seconde enveloppe n'a pas besoin d'avoir une épaisseur importante. Elle sera réalisée dans une matière qui lui permettra cependant de ne pas se déformer sous l'action des éventuelles pressions différentielles qui pourraient exister entre l'intérieur de cette seconde enveloppe et l'intérieur de la première, ni de réagir chimiquement avec les produits qui seront à son contact. Dans ces conditions, la paroi de la seconde enveloppe sera avantageusement, elle aussi, en acier inoxydable ou analogue, mais de relativement faible épaisseur. Le dispositif l comporte en outre un conduit de communication 5 reliant fluidiquement l'intérieur des deux enveloppes étanches 3, 4. Ce conduit est réalisé dans la paroi de la seconde enveloppe 4 et, pour lui permettre d'avoir une longueur suffisante, la portion 24 de la paroi dans laquelle est réalisé ce conduit peut comporter une surépaisseur ou excroissance comme représenté sur la figure l. De plus, le conduit 5 est situé de façon que, lorsque le dispositif est dans sa position normale d'utilisation, il soit vertical ou sensiblement vertical. Les enveloppes 3, 4 ayant une structure telle que définie ci-dessus, un premier liquide 6 remplit l'intérieur de l'enveloppe 3, à l'exception d'un volume résiduel, et une première partie 7 du conduit de communication 5, cette partie étant en partie supérieure du conduit 5 lorsque le dispositif est dans sa position normale d'utilisation. Un fluide compressible 8 remplit le volume résiduel. Un second liquide 9 différent du premier remplit complètement la seconde enveloppe 4 et la seconde partie 10 du conduit de communication 5 complémentaire de la première. Ce second liquide 9 est non-miscible avec le premier liquide 6 et il est d'une densité supérieure à celle du premier liquide. Dans un mode réalisation avantageux, le premier liquide est par exemple de l'huile, le second est du mercure et le fluide compressible est un gaz comme de l'air. De cette façon, les deux liquides 6, 9 contenus dans le conduit de communication 5 forment entre eux un dioptre de séparation 11 qui se situe entre les deux extrémités 12, 13 du conduit de communication, et le dispositif comporte en outre des moyens 14 pour mesurer l'amplitude du déplacement du dioptre 11 lorsque le corps 2 varie de volume, la valeur du déplacement du dioptre dans le conduit de communication étant représentative de la valeur de la variation de volume du corps 2, comme explicité et développé ci-après. Un mode de réalisation avantageux possible des moyens 14 pour mesurer l'amplitude du déplacement du dioptre 11 est plus particulièrement représenté sur la figure 2 et décrit en regard de cette figure. Un dispositif selon l'invention permet d'étudier les variations de volume d'un corps qui peuvent être dues à toutes sortes de phénomènes extérieurs, notamment lorsqu'il est soumis à des pressions statiques ou à des relâchements. Dans ce but, le dispositif comporte en outre un support 20 sur lequel peut reposer le corps 2, le support étant situé dans la seconde enveloppe 4, et des moyens 21 pour appliquer une force pressante sur le corps lorsqu'il est disposé sur le support, le support créant de ce fait une force de contreréaction. Le support peut avoir une forme qui lui permet de recevoir le corps et, par exemple, de bien le maintenir verticalement. Cependant, pour certaines applications du dispositif, ce support peut tout simplement être constitué par le fond de l'enveloppe 4 lui-même. Les moyens 21 pour appliquer une force pressante sur le corps 2 comportent au moins une tige 22 montée coulissante à travers les parois 23, 24 des deux enveloppes 3, 4 par des passages étanches 25, 26, I'étanchéité de ces passages étant obtenue, par exemple, par des joints schématisés sur les figures. Ces moyens 21 comportent en outre une tête de pression 27 avantageusement conformée pour épouser au moins une partie du corps 2 et des moyens 28 pour monter cette tête de pression en coopération avec l'extrémité 29 de la tige 22 située dans la seconde enveloppe 4. Ces moyens 28 peuvent être constitués par un vissage, un soudage, etc, mais la tête de pression 27 peut aussi être constituée par l'extrémité 29 de la tige 22 elle-même conformée pour épouser au moins une partie du corps 2, cette extrémité pouvant aussi être en forme de rotule. Cette tête de pression a pour fonction de transmettre la force pressante qui est appliquée à l'extrémité extérieure de la tige 22 et obtenue par tous moyens, notamment par une presse hydraulique ou analogue que l'on trouve couramment dans l'industrie. Dans un mode de réalisation avantageux, la tige 22 a une forme cylindrique, ce qui permet de réaliser des passages étanches d'une structure simple. Une telle structure de passage étanche est bien connue en elle-même et ne sera pas donc pas décrite ici, dans le but de simplifier la présente description. Le dispositif décrit ci-dessus s'utilise et fonctionne de la façon suivante: Pour étudier la variation de volume d'un corps 2 comme une "carotte" lorsqu'il est par exemple soumis à de fortes pressions, on le place sur le support 20 et on amène la tête de pression 27 au contact du corps 2. Puis on introduit dans la seconde enveloppe 4 une certaine quantité de second liquide 9, par exemple du mercure, pour remplir complètement l'intérieur de I'enveloppe 4 ainsi que la partie inférieure 10 du conduit 5. La première enveloppe 3 est ensuite presque totalement remplie avec du premier liquide 6, par exemple de l'huile, de façon à ménager, entre la surface supérieure du premier liquide 6 dans l'enveloppe 3 et la paroi supérieure de cette enveloppe, un volume résiduel relativement faible occupé par un gaz 8, par exemple de l'air, mais à remplir la partie supérieure 7 du conduit 5. Enfin, I'enveloppe 3 est obturée pour obtenir une volume étanche constitué de l'ensemble des volumes intérieurs des enveloppes 3 et 4 et du conduit 5. Avant d'appliquer la force pressante sur le corps 2, on note la position du dioptre 11 dans le conduit 5. Sous l'action de cette force pressante, le corps se déforme et, généralement mais non obligatoirement, son volume varie. la variation du volume dépend, non seulement de l'intensité de la force pressante appliquée, mais aussi de la constitution de l'échantillon testé lorsque le corps 2 est une carotte prélevée dans une couche géologique, le volume d'un tel échantillon pouvant, dans les conditions d'un test de ce type, rester inchangé, diminuer ou même augmenter. Les explications suivantes seront données dans le cas d'une augmentation du volume du corps 2. Dans ce cas, le corps occupe une plus grande partie du volume intérieur de la seconde enveloppe 4 et une certaine quantité du mercure contenu dans cette enveloppe est chassée dans le conduit 5. I.c dioptre 1 1 se déplace alors vers le haut sur une certaine distance. La mercure repousse l'huile qui occupe la partie haute 7 du conduit 5 et le reflux d'huile dans la première enveloppe 3 est compensé par une compression du liquide gazeux 8 qui occupe le volume résiduel. Connaissant l'amplitude du déplacement du dioptre 1 1 et la section du conduit 5, il est possible d'en déduire l'augmentation (ou la diminution) de volume qu'a subi le corps 2, bien que la structure du dispositif selon la figure 1 ne permette pas d'obtenir directement la valeur de la variation de volume du corps 2 par la seule mesure du déplacement du dioptre 11. Il est dans ce cas en effet nécessaire de tenir compte de paramètres supplémentaires. Par exemple, du volume de mercure déplacé dans le conduit 5, doit être retranché le volume de la partie de tige supplémentaire qui pénètre dans l'enveloppe 4 quand on applique la force pressante sur le corps 2. De même, la mesure doit être éventuellement corrigée en fonction d'autres paramètres comme la variation de température, la viscosité des deux liquides 6 et 9, la mouillabilité des matériaux entrant dans la constitution de la surface extérieure du corps 2, etc. Les calculs de correction pour tenir compte de ces paramètres sont bien connus des techniciens et ne seront pas plus amplement développés ici. Le mode de réalisation du dispositif selon l'invention décrit ci-dessus permet de déterminer la variation de volume d'un corps quand il est soumis à une pression de confinement élevée, mais la mise en oeuvre d'une partie de ce mode de réalisation est suffisante pour des mesures en compression simple, par exemple sous la pression atmosphérique. Dans ce cas, le liquide 6 est remplacé par l'air ambiant. Le dispositif comporte alors uniquement l'enveloppe étanche 4, le conduit de communication 5 reliant fluidiquement l'enveloppe 4 avec le milieu ambiant, par exemple l'air à la pression atmosphérique, et le liquide 9 qui remplit l'intérieur de l'enveloppe 4 et une partie 10 du conduit de communication 5. Le milieu ambiant et le liquide 9 sont bien entendu nonmiscibles et forment entre eux le dioptre de séparation 1 1 situé entre les deux extrémités 12, 13 du conduit de communication, le milieu ambiant étant d'une densité inférieure à celle du liquide. Le dispositif comporte enfin les moyens 14 pour mesurer le déplacement du dioptre 11 lorsque le volume du corps 2 varie, la valeur du déplacement de ce dioptre étant représentative de la valeur de la variation de volume du corps. I.e dispositif selon le mode de réalisation décrit en regard de la figure 1 fonctionne parfaitement. Cependant, comme mentionné ci-dessus, la détermination de la variation de volume du corps 2 doit tenir compte de la variation du volume de mercure occupé par la tige 22 quand elle pénètre à I'intérieur de la seconde enveloppe 4 ou en sort. I.e mode de réalisation du dispositif selon la figure 2 permet de compenser automatiquement cette variation du volume de mercure occupé par la tige 22 due au déplacement de cette tige dans le volume intérieur de l'enveloppe 4. Selon le mode de réalisation illustré sur la figure 2, le dispositif comporte en outre une chambre cylindrique 30 réalisée dans la paroi 24 de la seconde enveloppe 4 de façon à entourer la tige 22 et à avoir une section d'une valeur double de celle de cette tige, un piston 31 solidaire de la tige 22 et solidarisé à cette tige de façon qu'il se trouve dans la chambre 30 pour la partager en deux parties de chambre étanches 32, 33, et un canal 34 reliant l'intérieur de la seconde enveloppe 4 avec la partie de chambre 32 qui augmente de volume quand la tige 22 pénètre dans cette enveloppe 4, le canal 34 et cette partie de chambre 32 étant remplis de second liquide 9. Le dispositif selon la figure 2 fonctionne d'une façon générale comme celui décrit en regard de la figure 1 et la compensation de la variation du volume de second liquide occupé par la tige 22 s'effectue de la façon suivante. Lorsque la tige 22 pénètre dans la seconde enveloppe 4, le piston 31 se déplace et la partie de chambre 32 remplie de second liquide 9 augmente de volume, le liquide 9 contenu dans l'enveloppe 4 est aspiré et monte dans le canal 34 pour que la partie de chambre 32 reste remplie de ce liquide 9. Comme les sections de la partie de chambre 32 et de la tige 22 ont les valeurs relatives définies ci-avant, la quantité de second liquide 9 qui entre dans cette partie de chambre 32 est égale au volume de tige qui a pénétré dans l'enveloppe 4. Quand la tige 22 sort de l'enveloppe 4, le piston 31 repousse le liquide contenu dans la partie de chambre 32 pour l'envoyer dans l'enveloppe 4 et compenser ainsi le volume laissé libre par la portion de tige qui est sortie de l'enveloppe 4. De cette façon, le déplacement du dioptre 1 1 n'est plus influencé par le déplacement de la tige 22 à l'intérieur de la seconde enveloppe 4 et l'amplitude du déplacement du dioptre 1 1 est une représentation directe de la variation de volume du corps 2. Pour rendre la mesure plus précise, elle peut bien entendu être corrigée en fonction de certains paramètres comme ceux mentionnés ci-avant. Comme mentionné ci-dessus, le dispositif, aussi bien selon le mode de réalisation de la figure 1 que celui de la figure 2, comporte des moyens 14 pour mesurer le déplacement du dioptre 11. Selon un mode réalisation possible, ces moyens 14 comportent par exemple une lunette micrométrique pointée sur le dioptre 11 à travers des fenêtres transparentes réalisées dans les parois 23, 24 respectivement des enveloppes 3, 4 au niveau du conduit 5. Le déplacement linéaire du dioptre est alors lu directement sur la lunette. Ce mode de réalisation est théoriquement possible mais il n'est en fait pas industriel car il nécessite la réalisation de fenêtres transparentes dans les parois des deux enveloppes. Cette structure est alors relativement compliquée à réaliser et introduit, dans le dispositif, des points de faiblesse qui peuvent entraîner des accidents lorsque les pressions appliquées sont élevées. Aussi, selon un mode de réalisation préférentiel évitant les inconvénients et risques mentionnés ci-dessus, les moyens 14 sont constitués par des moyens de capteur de déplacement du type "à induction magnétique" qui comportent notamment un noyau magnétique 40 situé dans le conduit de communication 5 et réalisé dans un matériau ayant une densité inférieure à celle du second liquide 9 mais supérieure à celle du premier liquide 6, ce qui lui permet de flotter sur le dioptre de séparation 1 1 des deux liquides 6 et 9 et de le suivre quand il se déplace. Les moyens 14 comportent en outre une boucle d'un conducteur électrique 41 située autour et à proximité du noyau 40 et des moyens pour mesurer la variation de l'induction magnétique dans la boucle électrique lorsque le noyau magnétique 40 se déplace dans la boucle. L'amplitude du déplacement du noyau magnétique est obtenue directement sous forme d'un signal électrique analogique délivré à la sortie de la boucle électrique 41 et ce signal peut même être saisi par un ordinateur ou analogue qui fournira rapidement tous les enseignements nécessaires, notamment, pour les applications données dans le préambule de la présente description. Les moyens de capteur décrits ci-dessus ne sont qu'un exemple de réalisation des moyens 14. Ils pourraient être remplacés, par exemple, par des capteurs potentiométriques, à courants de Foucault, optiques, etc. Le dispositif permet d'étudier les variations de volume, notamment, de carottes prélevées dans des couches géologiques lorsqu'elles sont soumises à des pressions élevées. Pour éviter que les mesures ne soient faussées, par exemple, par la pénétration du second liquide 9 dans des failles ou interstices dans le corps 2, le dispositif comporte avantageusement en outre une gaine 50 en un matériau souple mais étanche entourant au contact la surface extérieure 51 du corps 2, au moins une partie 52 de la tête de pression 27 et au moins une partie 53 du support 20, ce matériau souple et étanche étant en outre avantageusement élastique pour bien épouser les contours du corps, de la tête et du support. On constate que le dispositif décrit ci-dessus, aussi bien dans le premier mode de réalisation décrit que dans le second, est facile à réaliser et qu'il permet de déterminer la variation de volume d'un corps par la mise en oeuvre d'un nombre de moyens peu important. REVENDICATIONS 1. Dispositif permettant de déterminer la variation de volume d'un corps (2) dans un milieu ambiant, caractérisé par le fait qu'il comporte: - une enveloppe étanche (4) apte à contenir ledit corps, - un conduit de communication (5) reliant fluidiquement l'intérieur de ladite enveloppe avec le milieu ambiant, - un liquide (9) remplissant l'intérieur de ladite enveloppe et une partie (10) dudit conduit de communication (5), ledit milieu ambiant et ledit liquide (9) étant non-miscibles et formant entre eux un dioptre de séparation (11) situé entre les deux extrémités (12, 13) dudit conduit de communication, le milieu ambiant étant d'une densité inférieure à celle du liquide, et - des moyens (14) pour mesurer le déplacement dudit dioptre (11) lorsque le volume dudit corps (2) varie, la valeur du déplacement dudit dioptre étant représentative de la valeur de la variation de volume dudit corps. 2. Dispositif permettant de déterminer la variation de volume d'un corps (2), caractérisé par le fait qu'il comporte: - une première enveloppe étanche (3), - une seconde enveloppe étanche (4) apte à contenir ledit corps, ladite seconde enveloppe étant entièrement contenue dans ladite première enveloppe, - un conduit de communication (5) reliant fluidiquement l'intérieur des deux dites enveloppes, - un premier liquide (6) remplissant l'intérieur de ladite première enveloppe (3), à l'exception d'un volume résiduel, et une première partie (7) dudit conduit de communication, - un fluide compressible (8) remplissant ledit volume résiduel, - un second liquide (9) remplissant l'intérieur de ladite seconde enveloppe et la seconde partie (10) dudit conduit de communication (5) complémentaire de ladite première partie (7), lesdits premier (6) et second (9) liquides étant non-miscibles et formant entre eux un dioptre de séparation (11) situé entre les deux extrémités (12, 13) dudit conduit de communication, le premier liquide étant d'une densité inférieure à celle du second liquide, et - des moyens (14) pour mesurer le déplacement dudit dioptre (11) lorsque le volume dudit corps (2) varie, la valeur du déplacement dudit dioptre étant représentative de la valeur de la variation de volume dudit corps. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait qu'il comporte un support (20) dudit corps (2) dans ladite seconde enveloppe (4) et des moyens (21) pour appliquer une force pressante sur ledit corps, ledit support créant une force de contre-réaction. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait que lesdits moyens (21) pour appliquer une force pressante sur ledit corps (2) comportent au moins: - une tige (22) montée coulissante à travers les parois (23, 24) des deux dites enveloppes (3, 4) au moyen de passages étanches (25, 26), - une tête de pression (27) conformée pour s'appliquer sur au moins une partie dudit corps (2), et - des moyens (28) pour monter ladite tête de pression (27) en coopération avec l'extrémité (29) de ladite tige (22) située dans la seconde enveloppe (4). 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé par le fait que ladite tige est cylindrique et qu'il comporte en outre une chambre cylindrique (30) réalisée dans la paroi (24) de ladite seconde enveloppe (4), ladite chambre (30) entourant ladite tige (22), un piston (31) solidaire de ladite tige (22) et situé dans ladite chambre (30) pour la partager en deux parties de chambre étanches (32, 33), et un canal (34) reliant l'intérieur de ladite seconde enveloppe (4) avec l'intérieur de la partie de chambre (32) qui augmente de volume quand la tige (22) pénètre dans la seconde enveloppe (4), ledit canal (34) et cette partie de chambre (32) étant remplis de second liquide (9). 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé par le fait que la section de ladite chambre cylindrique (30) a une valeur égale au double de celle de ladite tige cylindrique (22). 7. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 6, caractérisé par le fait que lesdits premier (6) et second (9) liquides sont respectivement constitués par de l'huile et du mercure, et que le fluide compressible (8) est constitué par un gaz. 8. Dispositif selon l'une des revendications 2à 7, caractérisé par le fait que les moyens (14) pour mesurer le déplacement dudit dioptre (11) sont constitués par des moyens de visée optiques. 9. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 7, caractérisé par le fait que les moyens (14) pour mesurer le déplacement dudit dioptre (11) sont constitués par un noyau magnétique (40) situé dans ledit conduit de communication (5) et réalisé dans un matériau ayant une densité inférieure à celle du second liquide (9) mais supérieure à celle du premier liquide (6), une boucle électrique (41) située à proximité et autour dudit noyau magnétique (40), et des moyens pour mesurer la variation de l'induction magnétique dans ladite boucle lorsque ledit noyau magnétique se déplace. 10. Dispositif selon l'une des revendications 4 à 9, caractérisé par le fait qu'il comporte une gaine (50) en un matériau souple et étanche entourant au contact la surface extérieure (51) dudit corps (2), au moins une partie (52) de ladite tête de pression (27) et au moins une partie (53) dudit support (20).