Brevet FR2736435A1 — publié le 19970110

- DESCRIPTION - L'invention concerne une sonde pour déterminer par la technique des rayonnements la densité de la matière de la paroi de trous de forage, laquelle est de préférence formée par de la roche, constituée par un générateur de rayonnement gamma et par une unité de déteetion comportant un détecteur principal et un détecteur de contrôle, ainsi que par un divi- seur, cependant que le détecteur principal est disposé de manière à détecter le rayonnement diffusé par la matière qui entoure le trou de forage, et que le détecteur de contrôle est disposé de manière à ne détecter directement qu'une frac- tion bien définie du rayonnement engendré par le générateur de rayonnement gamma, que les sorties des deux détecteurs sont reliées chacune à une entrée du diviseur, et que le générateur de rayonnement gamma et l'unité de détection sont séparés l'un de l'autre par un écran. Pour déterminer la densité de roches, ainsi que pour étudier des formations géologiques dans des trous de forage, il est connu d'utiliser des sondes qui émettent un rayonnement gamma bien défini et qui détectent l'intensité du rayonnement gamma diffusé par la matière de la paroi du trou de forage. A l'aide de l'absorption du rayonnement gamma qui est émis, on en tire des conclusions quant à la densité de la matière de la paroi du trou de forage ou quant à la formation géologique, respectivement. Le cas échéant, on fait appel à cette fin à des mesures de comparaison avec des matières con- nues. Le procédé est connu sous la dénomination "Gamma-Gamma- Log". Comme source de rayonnement gamma, on a habituellement utilisé dans le passé des matières à rayonnement naturel, comme par exemple le césium 137 (voir le brevet allemand n 33 12 883 ou le brevet U.S. n 4.845.359). Les exigences éle- vées sur le plan de la sécurité auxquelles il faut satisfaire lorsque l'on utilise des sources de rayonnement naturel cau- sent dans une mesure croissante des coQts inadmissibles. Il s'y ajoute que la perte d'une source de rayonnement naturel de ce genre dans le trou de forage peut conduire pour les travaux de récupération à des coots et à des risques énormes et incalculables. De ce fait, on a déjà essayé d'utiliser comme sour- ce de rayonnement gamma un accélérateur circulaire inductif (bêtatron), ainsi que cela est décrit dans le brevet U.S. no 5.122.662. Des électrons sont ici accélérés cycliquement sur une trajectoire circulaire, et ils sont émis et transformés en rayonnement gamma après qu'ils ont atteint une énergie déterminée. L'accélération a lieu au moyen de champs électri- ques. Des champs magnétiques intenses produits par des élec- troaimants sont nécessaires pour maintenir les électrons sur une trajectoire circulaire ou en forme de spirale, respecti- vement, pendant le processus d'accélération, et pour réaliser ainsi plusieurs cycles d'accélération. Les électrons restent relativement longtemps dans l'accélérateur jusqu'à ce qu'ils aient atteint une accélération suffisante. Pour qu'il ne se produise pas d'interactions entre les électrons et la matière dans l'accélérateur pendant cette durée, des exigences éle- vées sont imposées quant à la qualité du vide dans l'accélé- rateur. Au total, les accélérateurs circulaires inductifs conduisent & des coûts importants lors de leur fonctionnement du fait de leur construction compliquée et d'exigences éle- vées en matière d'énergie et de technique du vide. Il s'y ajoute le fait que l'on ne peut pas maintenir leurs dimen- sions, en particulier en ce qui concerne leur diamètre, & des valeurs suffisamment faibles pour une intensité suffisante du rayonnement gamma, de sorte qu'ils ne peuvent être utilisés que d'une manière limitée dans le cas de forages de faibles diamètres. Lorsque leur utilisation est néanmoins possible pour de faibles diamètres de forage, soit on ne peut obtenir que des résultats de mesure dont la précision statistique est faible, soit les mesures nécessitent des durées très longues. Il est en outre difficile de supprimer les pertes de chaleur qui se produisent dans l'accélérateur du fait de l'énergie élevée que l'on utilise pour engendrer les champs magnéti- ques. L'objet de l'invention est une sonde pour détermi- ner par la technique des rayonnements la densité de la matiè- re de la paroi de trous de forage, laquelle est de préférence constituée par de la roche, sonde qui présente un large domaine d'utilisation sans dépenses élevées pour la sécurité et en évitant un potentiel de risque élevé, et qui se carac- térise par de faibles coûts de fabrication et de fonctionne- ment. Le but de l'invention est de développer une sonde qui arrive au résultat sans matières à rayonnement naturel, qui présente une construction simple avec seulement de fai- bles dimensions transversales, qui n'a besoin que de quanti- tés d'énergie électrique relativement faibles lors du fonc- tionnement et qui n'impose pas des exigences élevées quant à la technique du vide. Selon l'invention, ce but est atteint grace à une sonde du genre spécifié au début qui est caractérisée par le fait que le générateur de rayonnement gamma est réalisé sous la forme d'un accélérateur linéaire d'électrons fonctionnant par impulsions. Pour engendrer les impulsions de haute tension qui sont nécessaires pour produire le rayonnement gamma, l'accé- lérateur linéaire d'électrons fonctionnant par impulsions comporte de préférence un transformateur de Tesla qui est relié du côté du primaire & un accumulateur d'énergie capaci- tif et à un dispositif de décharge, l'accumulateur d'énergie capacitif étant pour sa part en communication avec un élément de charge en haute tension. La sortie du transformateur de Tesla qui est située du côté de la haute tension conduit à une anode en face de laquelle une cathode pouvant être chauf- fée est disposée dans la direction longitudinale de la sonde. L'élément de charge en haute tension charge l'accumulateur d'énergie capacitif qui est déchargé lorsqu'un état de charge déterminé est atteint et qui engendre un dI/dt élevé dans l'enroulement primaire du transformateur de Tesla. L'impul- sion de haute tension qui est ainsi engendrée dans le trans- formateur de Tesla et qui est appliquée entre l'anode et la cathode arrache des électrons à la cathode chauffée, et elle les accélère vers l'anode qu'ils frappent, leur freinage engendrant une impulsion de rayonnement gamma. De préférence, la surface de l'anode qui est tournée vers la cathode forme un angle de 45' environ avec l'axe longitudinal de la sonde. On obtient ainsi que la plus grande partie de l'impulsion intense de rayonnement gamma qui est engendrée soit déviée vers la paroi du trou de forage. Elle rencontre ici la matiè- re qui constitue la paroi du trou de forage, et elle est dif- fusée ou partiellement absorbée par celle-ci, respectivement. Une faible partie de l'impulsion de rayonnement gamma arrive directement à un détecteur de contrôle qui engendre une valeur mesurée de contrôle proportionnelle & l'intensité de l'impulsion de rayonnement gamma. Le détecteur principal qui est disposé en étant protégé de la source de rayonnement gam- ma enregistre l'intensité de l'impulsion de rayonnement dif- fusée. Les sorties des deux détecteurs sont reliées chacune à une entrée d'un diviseur. On obtient ainsi que les fluctua- tions de l'intensité des impulsions de rayonnement gamma n'influencent pas le résultat des mesures. Il en va de même pour les fluctuations des courbes caractéristiques de l'unité de détection qui sont causées par la température ou par la pression et qui peuvent être très considérables selon la pro- fondeur du forage et les données géologiques. Le diviseur peut être disposé & l'intérieur de la sonde, mais il peut aussi se trouver à l'extérieur du trou de forage. On peut aussi imaginer de simuler le diviseur dans un ordinateur d'exploitation grâce & un logiciel qui agit d'une manière équivalente à un diviseur. Avantageusement, le détecteur de contrôle est dis- posé à l'intérieur de l'écran qui sépare le générateur de rayonnement gamma de l'unité de détection d'une manière telle qu'une fraction du rayonnement gamma qui est proportionnelle à l'impulsion de rayonnement gamma engendrée atteigne le détecteur de contrôle. Ceci peut être obtenu d'une manière avantageuse en donnant à l'épaisseur de la paroi de l'écran, dans la région dans laquelle le détecteur de contrôle est disposé, des dimensions telles qu'une protection totale ne soit pas atteinte dans cette région. En outre, il s'est avéré particulièrement avanta- geux d'utiliser comme détecteurs des compteurs à scintilla- tion, car ils se caractérisent par une résolution élevée pour l'énergie et dans le temps. Pour éviter des erreurs de mesure qui seraient dues à des fluctuations de la tension d'alimen- tation des détecteurs, il est avantageux que les deux détec- teurs soient alimentés par une source de tension unique par l'intermédiaire d'un diviseur de tension. D'éventuelles erreurs de mesure dues à des fluctuations de la tension d'alimentation sont compensées lors de la division consécuti- ve de la valeur mesurée principale par la valeur mesurée de contrôle. La sonde selon l'invention ne présente que des dimensions transversales très faibles en comparaison de son- des qui contiennent des accélérateurs circulaires d'électrons comme source de rayonnement gamma, et elle peut donc être utilisée sans problèmes, même dans le cas de trous de forage d'un faible diamètre. Dans ce qui suit, l'invention est expliquée d'une manière plus détaillée à l'aide d'un exemple de réalisation. Le dessin annexé montre une représentation de principe d'une sonde selon l'invention. Comme le montre la figure, cette sonde est consti- tuée par un générateur de rayonnement gamma 1 et par une uni- té de détection 2 qui sont séparés l'un de l'autre par un écran en plomb 3. Le générateur de rayonnement gamma 1 comporte comme éléments constitutifs essentiels un élément de charge en hau- te tension 4, un accumulateur d'énergie 5 qui comprend un condensateur 5.1 et un organe de décharge 5.2, un transforma- teur de Tesla 6 et une anode 7, ainsi qu'une unité d'accélé- ration des électrons 9 contenant une cathode 8 qui peut être chauffée. Une électrode de commande 10 est disposée entre l'anode 7 et la cathode 8 qui peut être chauffée. Au-dessus de la cathode 8 se trouve une pompe à vide 11il qui engendre à l'intérieur de l'unité d'accélération des électrons 9 un vide situé dans une fourchette allant de 10-e & 10-e mm Hg. L'unité de détection 2 est constituée par un comp- teur à scintillation principal 12, par un compteur à scintil- lation de contrôle 13 et par une alimentation en haute ten- sion 14 destinée aux compteurs à scintillation 12 et 13. Le générateur de rayonnement gamma 1 travaille selon un mode de fonctionnement par impulsions. Son fonction- nement peut être décrit comme suit. Un condensateur 5.1 est chargé à l'aide de l'élé- ment de charge en haute tension 4, et il est déchargé au moyen d'un organe de décharge 5.2 lorsqu'un état de charge prédéterminé (10 kV) a été atteint. Le condensateur 5.1 est relié du côté de la haute tension à l'enroulement primaire du transformateur de Tesla 6. Du fait du dI/dt élevé qui inter- vient lors de la décharge du condensateur 5.1, une impulsion de tension de 1 MV environ est induite dans le transformateur de Tesla 6. La durée de cette impulsion de tension peut être située entre 30 ns et 1. 000 ns selon la configuration. Cette impulsion de tension qui agit entre l'anode 7 et la cathode chauffée 8 arrache des électrons à la cathode chauffée 8, et elle les accélère vers l'anode 7 qu'ils frappent, une impul- sion de rayonnement gamma étant engendrée par le freinage. Selon la longueur de la décharge, l'intensité du courant entre la cathode 8 et l'anode 7 peut être comprise entre 2 et A, ce qui correspond à un nombre d'électrons allant jus- qu'à 1013 par décharge. La quantité de rayonnement gamma qui est libérée ici peut aller jusqu'à 1.000 millicuries, soit 3,7.1010 becquerels. Elle est donc nettement plus élevée que dans les sondes classiques de dimensions comparables. L'électrode de commande 10 présente un potentiel égal à -5 kV. Elle sert à empêcher l'émission d'électrons depuis la cathode chauffée 8 jusqu'à ce qu'une tension de consigne prédéterminée soit établie entre l'anode 7 et la cathode chauffée 8. Ceci produit une élimination des élec- trons dont l'énergie est faible et enrichit le spectre du rayonnement qui prend naissance pour la région des énergies très élevées. La surface de l'anode 7 qui est tournée vers la cathode 8 forme un angle de 45e environ avec l'axe longitudi- nal de la sonde. L'effet produit est que la plus grande par- tie de l'impulsion de rayonnement gamma qui prend naissance est libérée dans la direction de la paroi du trou de forage. C'est en particulier lorsque la sonde est poussée contre la paroi du trou de forage dans le cas de trous de forage qui sont très grands ou hétérogènes que l'on évite ainsi des per- turbations dues à des dispersions dans le liquide de forage. Le rayonnement gamma qui est libéré vers la paroi du trou de forage est diffusé dans la matière environnante qui est de préférence de la roche, et il est aussi partielle- ment absorbé. Au total, il est affaibli proportionnellement à la densité de la matière. Le compteur à scintillation princi- pal 12 qui est disposé en étant protégé du générateur de rayonnement gamma détecte l'impulsion de rayonnement diffu- sée. Le compteur à scintillation de contrôle 13 qui est dis- posé dans l'écran en plomb détecte exclusivement une partie du rayonnement gamma qui a été émise directement par le géné- rateur de rayonnement gamma 1. Il est disposé à l'intérieur de l'écran en plomb 3 d'une manière telle que les fractions du rayonnement qui ont été diffusées ne soient pas détectées par lui. La valeur de la fraction du rayonnement gamma qui est détectée est fonction de l'épaisseur de la couche de plomb qui reste devant le compteur à scintillation de contrô- le 13 dans la direction du générateur de rayonnement gamma. Le compteur à scintillation de contrôle 13 fournit pour cha- que impulsion de rayonnement gamma une valeur mesurée qui est proportionnelle à l'intensité de l'impulsion. Les valeurs mesurées du compteur & scintillation principal 12 et du comp- teur à scintillation de contrôle 13 sont amenées à un divi- seur 15. Le quotient de ces valeurs mesurées est la grandeur qui est nécessaire pour déterminer la densité de la matière de la paroi du trou de forage. Dans la réalisation décrite, le diviseur 15 est disposé à l'extérieur du trou de forage. Grâce à l'utilisation d'un compteur & scintilla- tion de contrôle 13, on compense d'une part les fluctuations de l'intensité du rayonnement gamma qui est engendré par le générateur de rayonnement gamma 1, mais aussi, d'autre part, on compense ainsi sur des zones étendues les influences exté- rieures auxquelles l'ensemble du système de détection est soumis (par exemple des fluctuations de température et des fluctuations de pression). Le comportement des compteurs à scintillation est relativement linéaire sur de larges zones. Les fluctuations de l'alimentation en tension des compteurs à scintillation 12 et 13 peuvent être largement compensées dans l'agencement décrit grâce au fait que les deux compteurs sont alimentés par une source de tension uni- que 14. La sonde selon l'invention permet au total de mieux détecter les erreurs statistiques et systématiques ou, res- pectivement, de les compenser directement. La rapidité de l'opération de mesure peut être augmentée grâce à l'intensité élevée des impulsions de rayonnement gamma. De même, les influences provenant d'un rayonnement gamma naturel de la matière environnante restent largement sans effet. - REVENDICATIONS - 1. Sonde pour déterminer par la technique des rayonne- ments la densité de la matière de la paroi de trous de fora- ge, laquelle est de préférence formée par de la roche, cons- tituée par un générateur de rayonnement gamma et par une uni- té de détection comportant un détecteur principal et un détecteur de contrôle, ainsi que par un diviseur, cependant que le détecteur principal est disposé de manière à détecter le rayonnement diffusé par la matière qui entoure le trou de forage, et que le détecteur de contrôle est disposé de maniè- re à ne détecter directement qu'une fraction bien définie du rayonnement engendré par le générateur de rayonnement gamma, que les sorties des deux détecteurs sont reliées chacune à une entrée du diviseur, et que le générateur de rayonnement gamma et l'unité de détection sont séparés l'un de l'autre par un écran, caractérisée par le fait que le générateur de rayonnement gamma (1) est réalisé sous la forme d'un accélé- rateur linéaire d'électrons fonctionnant par impulsions. 2. Sonde selon la revendication 1, caractérisée par le fait que l'accélérateur linéaire d'électrons fonctionnant par impulsions comporte un accumulateur d'énergie capacitif (5.1) qui est relié à un élément de charge en haute tension (4) et dont la sortie est reliée à l'enroulement primaire d'un transformateur de Tesla (6), par le fait que l'enroulement secondaire du transformateur de Tesla (6) est relié à une anode (7), par le fait qu'une cathode pouvant être chauffée (8) est disposée en face de l'anode (7) dans la direction de l'axe longitudinal de la sonde, et par le fait que la surface de l'anode (7) qui est tournée vers la cathode (8) forme un angle de 45- environ avec l'axe longitudinal de la sonde. 3. Sonde selon la revendication 2, caractérisée par le fait qu'une électrode de commande (10) est disposée entre l'anode (7) et la cathode (8) dans la direction de l'axe lon- gitudinal de la sonde. 4. Sonde selon l'une des revendications précédentes, caractérisée par le fait que le détecteur de contrôle (13) est disposé à l'intérieur de l'écran (3) d'une manière telle qu'il ne soit atteint que par une fraction du rayonnement gamma qui est proportionnelle à l'impulsion de rayonnement gamma engendrée.