Brevet FR2895010A1 — publié le 20070622

PRESSIOMETRE DE PRECISION. L'invention concerne, de facon generale, les 5 techniques de diagraphie. Plus precisement, 1'invention concerne un pressiometre destine a permettre 1'evaluation dune propriete geotechnique du sous-sol, ce pressiometre comprenant, en tant que sous-ensembles, un outil de fond 10 destine a etre introduit dans un forage, un equipement de surface, et des moyens de raccordement au moins propres a relier 1'outil a 1'equipement, ces sous-ensembles comprenant eux-memes au moins un premier manchon gonflable porte par 1'outil de fond, un reservoir 15 sensiblement indeformable contenant des volumes complementaires de gaz et de liquide, une source de gaz sous pression, un premier conduit reliant la source de gaz au volume de gaz du reservoir, un deuxieme conduit reliant le volume de liquide du reservoir au premier 20 manchon gonflable, des moyens de controle de debit interposes sur le premier conduit, un capteur de pression propre a fournir un signal lie a la pression du liquide dans le reservoir, et un capteur de volume propre a fournir un signal lie au volume du liquide dans le 25 reservoir. Des dispositifs de ce type sont tres bien connus de 1'homme du metier depuis leur invention par L. Menard en 1955. Le pressiometre permet d'evaluer in situ les 30 parametres mecaniques des sols. Une fois 1'outil de fond, ou "sonde", introduit dans un forage, chaque manchon gonflable est soumis a une pression croissante par paliers, en nombre de six a quatorze par exemple, et suivant une progression 5 arithmetique. A chaque palier, le volume de liquide introduit dans le premier manchon a partir du reservoir est mesure, typiquement 15 secondes, 30 secondes et une minute apres la fin de la mise en pression. 10 Le resultat de ces mesures est traduit par deux graphiques de chargement, ou courbes pressiometriques, dont 1'une donne la variation de volume, mesuree a une minute, en fonction de la pression, et dont 1'autre correspond aux variations de volume entre 30 secondes et 15 une minute, en fonction de la pression. Les pressiometres existants souffrent de plusieurs de-touts qui limitent tres serieusement la precision des resultats quills fournissent. L'invention, qui s'inscrit dans ce contexte, a 20 justement pour but de pallier ces imperfections et de proposer un pressiometre de precision. A cette fin, le pressiometre de 1'invention, par ailleurs conforme a la definition generique qu'en donne le preambule ci-dessus, est essentiellement caracterise 25 en ce que le reservoir est porte par 1'outil de fond, en ce que le capteur de volume comprend un detecteur de niveau de liquide loge dans le reservoir, et en ce que les moyens de raccordement comprennent un lien de transmission reliant le detecteur de niveau a 30 1'equipement de surface. 3 2895010 Grace a cet agencement, le volume est mesure de facon simple et fiable sans que la mesure obtenue soft perturbee par divers artefacts, tels que le poids de la colonne de liquide entre la surface et le fond, la deformation du conduit de liquide qui, dans les pressiometres existants, relie generalement le premier manchon au reservoir dispose en surface, ou encore 1'inertie qu'oppose ce conduit a la circulation de liquide entre la surface et le fond. En configuration operationnelle de 1' outil de fond dans un forage, le reservoir est avantageusement dispose au-dessus du premier manchon gonflable, c'est-a-dire plus proche de la surface du sol que ce premier manchon. De preference, le signal de volume est de nature electrique, le lien de transmission comprenant alors une ligne electrique. Dans le mode de realisation privilegie de 1'invention, it est prevu que le liquide presente une resistivite electrique relativement faible, que le d-tecteur de niveau comprenne au moins un element resistif relie a un generateur d'energie electrique et partiellement immerge dans le liquide, que l'element resistif presente une forme allongee suivant la hauteur du reservoir et une resistivite electrique relativement forte, et que le liquide et 1'element resistif partiellement shunt- par le liquide forment pour le generateur une charge resistive presentant une resistance dependant du niveau de ce liquide dans le reservoir. Par ailleurs, le generateur d'energie electrique delivre de preference un courant alternatif pour eviter les polarisations parasites. Pour simplifier la mesure et son interpretation, le reservoir peut etre de forme cylindrique, 1'element resistif pouvant lui-meme s'etendre suivant l'axe central du reservoir. Comme dans le cas des pressiometres connus, 1'outil de fond du pressiometre de 1'invention peut comprendre en outre des deuxieme et troisieme manchons gonflables, et un troisieme conduit reliant le volume de gaz du reservoir a ces deuxieme et troisieme manchons. Pour augmenter encore la precision du pressiometre de 1'invention, it est possible de prevoir que les moyens de controle de debit comprennent un ajutage et un clapet, que 1'equipement de surface comprenne en outre des moyens de pilotage de pression dans lesquels sont memorises une pluralite de consignes de pression de valeurs croissantes, un programme d'application successive dans le temps de ces consignes, et une loi de correspondance reliant au moins ces consignes a des intervalles de temps respectifs correspondants, et que ces moyens de pilotage de pression soient connus pour ouvrir selectivement le clapet, en vue de 1'application de chaque nouvelle consigne de pression conformement au programme, pendant 1'intervalle de temps correspondant a cette consigne. Grace a cet agencement, la pression du liquide est controlee de facon rigoureuse, sans intervention humaine, et sans subir ni 1'influence de 1'ecoulement du gaz sur la mesure de la pression, ni celle du retard d'etablissement de la pression dans le reservoir. De preference, les moyens de pilotage de pression sont relies au capteur de pression et sont en outre connus pour ouvrir le clapet pendant un intervalle de temps predefini en reponse a un deficit du signal de 5 2895010 pression par rapport a une pression de consigne, lorsque ce deficit apparait pendant un palier a cette pression de consigne et lorsqu'il depasse un seuil predetermine. Les moyens de pilotage de pression comprennent par 5 exemple une unite de commande actionnant le clapet et un ordinateur clans lequel sont memorises les consignee de pression, le programme, et la loi de correspondance, cet ordinateur etant relie a 1'unite de commande et la pilotant. 10 Dans un mode de realisation aise de 1'invention, les moyens de controle de debit peuvent comprendre une electrovalve portant a la fois 1'ajutage et le clapet. D'autres caracteristiques et avantages de 1'invention ressortiront clairement de la description qui 15 en est faite ci-apres, a titre indicatif et nullement limitatif, en reference aux dessins annexes, dans lesquels : - la figure 1 est une vue schematique en coupe verticale d'un pressiometre conforme a 1'invention et en cours 20 d'utilisation; et - la figure 2 est une vue schematique en coupe verticale d'un detail fonctionnel de ce pressiometre. Comme annonce precedemment, 1'invention concerne un pressiometre destine a permettre 1T-evaluation d'une 25 propriete geotechnique du sous-sol. Un tel appareil comprend, en tant que sous-ensembles, un outil de fond 1 destine a etre introduit dans un forage F, un equipement de surface 2, et des moyens de raccordement, tels que 30 a 33, permettant 30 notamment de relier 1'outil 1 a 1'equipement 2. L'outil de fond 1 comprend en general trois manchons gonflables, a savoir un manchon principal et central 11, et deux manchons auxiliaires 12 et 13, adjacents au manchon central 11 et situes de part et d'autre de ce dernier. Le manchon principal 11 est essentiellement forme par une membrane elassique annulaire susceptible d'etre gonflee par injection d'un liquide L sous pression, par exemple de 1'eau, provenant d'un reservoir 4 et achemine par un conduit 32. Le reservoir 4, par exemple realise dans un cylindre metallique sensiblement indeformable aux pressions considerees, contient, au-dessus du liquide L, un gaz G de propulsion tel que de 1'azote pressurise, le liquide et le gaz occupant des volumes respectifs et complementaires V1 et Vg de ce reservoir 4. L'equipement de surface 2 comprend typiquement une source 21 de gaz propre a delivrer le gaz G sous pression et reliee au volume de gaz Vg du reservoir 4 par un conduit d'alimentation 31. L'equipement de surface 2 comprend egalement des moyens de controle de debit, tels que 220-222, qui sont interposes sur le conduit 31 et qui permettent de controler le passage du gaz G de la source 21 vers le reservoir 4, donc le passage du liquide L du reservoir 4 vers le manchon 11 a travers le conduit 32. Le pressiometre de 1'invention comprend encore, de fayon classique, un capteur de pression 5 et un capteur de volume 6, le capteur de pression 5 etant concu pour fournir un signal Sp lie a la pression du liquide L dans le reservoir 4, et le capteur de volume 6 etant concu pour fournir un signal Sv lie au volume V1 du liquide dans le reservoir 4. Selon 1'invention, le capteur de volume 6 comprend un detecteur 61 de niveau de liquide loge dans le reservoir 4, ce reservoir etant porte par 1'outil de fond 1 et par exemple dispose au-dessus du manchon gonfiable central 11 lorsque 1'outil de fond 1 est en place dans un forage F. Un lien de transmission 30 est alors prevu pour 10 relier le detecteur de niveau 61 a 1'equipement de surface 2, ce lien etant par exemple constatue par une ligne electrique dans le cas avantageux ou le signal de volume Sv est de nature electrique. Dans un mode de realisation efficace de 15 1'invention, le detecteur de niveau 61 est de type resistif. Pour ce faire, le liquide L est choisi pour presenter une resistivite electrique relativement faible. I1 est notamment possible d'utiliser, en tant que liquide 20 L, de 1'eau ionisee par la presence d'impuretes, de sel ou, plus avantageusement encore, d'antigel. Le detecteur de niveau 61 est quant a lui compose par exemple d'un element resistif 610 et d'un conducteur pur tel qu'une barre de cuivre, 1'element resistif et le 25 conducteur etant relies a un generateur d'energie electrique 60 et partiellement immerges dans le liquide L du reservoir 4. Le generateur delivre par exemple un courant alternatif d'amplitude constante et de frequence egale a 30 270 Hz. 8 2895010 L'element resistif 610 presente une forme allongee suivant la hauteur du reservoir 4 et, par definition, une resistivite electrique relativement forte c'est-a-dire au moms cent fois superieure a celle du liquide L. 5 L'element resistif 610 est par exemple enroule autour de la barre conductrice 611 sans etre en contact galvanique direct avec cette barre. Dans ces conditions, 1'element resistif 610 et la barre conductrice 611 sont galvaniquement relies 1'un a 1'autre par le liquide L au voisinage immediat du niveau de ce liquide dans le reservoir, 1'element resistif 610 etant shunts par le liquide sur toute sa longueur immergee. En d'autres termes, le liquide L, 1'element resistif 610, et accessoirement la barre conductrice 611, forment pour le generateur de courant 60 une charge resistive CR dont la resistance electrique depend du niveau de ce liquide dans le reservoir 4, donc du volume de liquide L dans ce reservoir. Le signal Sv de volume peut ainsi etre represents par le signal de sortie d'un voltmetre a detection en phase 62 installs en parallele sur le generateur de courant 60. En variante, la paroi du reservoir 4, egalement supposee conductrice, peut etre utilisee a la place de la barre conductrice 611 pour refermer la boucle de courant. Des detecteurs de niveau de ce type sont par exemple decrits dans le brevet US 4 188 826. Comme le montre la figure 1, le capteur de pression 5 peut quant a lui etre dispose dans la phase gazeuse du contenu du reservoir 4, et notamment dans le conduit 31 d'alimentation en gaz G. 9 2895010 Comme le montre encore la figure 1, les manchons gonflables auxiliaires 12 et 13 sont selectivement gonfles par le gaz G, et a cette fin relies, par un conduit 33, au volume Vg de gaz G du reservoir 4. 5 La precision du pressiometre de 1'invention peut encore etre augmentee en dotant 1'equipement de surface 2 de moyens de pilotage de pression, et en prevoyant que les moyens de controle de debit comprennent un ajutage 221 et un clapet 222, par exemple integres a une 10 electrovalve 220. Dans le mode de realisation illustre, les moyens de pilotage de pression comprennent une unite de commande 7 propre a actionner le clapet 222, et un ordinateur 8 relie a 1'unite de commande 7 et la pilotant. 15 L'ordinateur 8 est dote dune memoire dans laquelle sont stockes une pluralite de consignes de pression de valeurs croissantes Kpi, un programme PROG d'application successive clans le temps de ces consignes Kpi, et une loi de correspondance CORR permettant de determiner, au moins 20 sur la base des consignes Kpi, des intervalles de temps respectifs correspondants Tpi. Le programme PROG a pour fonction de determiner a quels instants devront etre appliques les differents paliers de pression, les consignes Kpi definissant quant 25 a elles les valeurs des differentes pressions qui devront etre atteintes et maintenues au cours de ces differents paliers de pression. La loi de correspondance CORR est definie de maniere qu'a chaque nouveau palier de pression, c'est-a- 30 dire lors de 1'application de chaque nouvelle consigne de pression Kpi conformement au programme PROG, cette consigne de pression puisse etre atteinte par 1'ouverture 10 2895010 du clapet 222, par les moyens 7 et 8 de pilotage de pression, pendant 1'intervalle de temps Tpi correspondant a cette consigne Kpi. En pratique, comme le gaz G est admis dans le 5 reservoir G a travers 1'ajutage 221, it s'ecoule de fagon laminaire. La masse de gaz G admise dans le reservoir pendant une duree determinee est donc, conformement a la loi de Poiseuille, essentiellement representee par une fonction 10 lineaire de cette duree, 1'incidence mineure des variations de la difference entre les pressions existant en amont et en aval de 1'ajutage pouvant en outre etre prise en compte et corrigee grace a la connaissance prealable de la pression en amont de 1'ajutage 221 et de 15 la consigne Kpi a atteindre. En variante, ou de fagon cumulative, la loi de correspondance CORR peut etre determinee ou affinee experimentalement par un calibrage preliminaire. La loi CORR peut enfin etre memorisee sous forme 20 d'une relation mathematique, ou plus simplement sous forme d'une ou plusieurs abaques. Une foil qu'un nouveau palier de pression a ete atteint de la fagon indiquee ci-dessus, it convient de maintenir la pression dans le reservoir 4 a la valeur de 25 la pression de consigne de ce palier jusqu'a 1'instant ou un autre palier de pression devra etre atteint. Comme cependant le manchon 11 peut, pendant la duree d'un palier de pression, refouler radialement la paroi du forage F et donc augmenter de volume, la 30 pression dans le reservoir 4 peut decroitre pendant cette duree et doit donc etre compensee. 11 2895010 Pour ce faire, 1'ordinateur 8 recoit le signal de pression Sp en provenance du capteur de pression 5 auquel it est relie et compare ce signal de pression Sp, en permanence ou periodiquement a frequence elevee, a la 5 pression de consigne Kpi qui doit etre maintenue pendant le palier de pression en cours. Dans le cas ou le signal de pression Sp presente, par rapport a cette pression de consigne Kpi, un deficit superieur a un seuil de tolerance predetermine, 10 1'ordinateur 8 transmet a 1'unite de commande 7 1'ordre d'ouvrir le clapet 222 pendant un intervalle de temps predefini TO. En pratique, 1'intervalle de temps TO est choisi de maniere que la masse de gaz traversant 1'ajutage 221 15 pendant cet intervalle de temps soit au moins legerement superieure a la masse de gaz necessaire, dans le pire cas, pour compenser le deficit de pression correspondant au seuil de tolerance. Dans le cas ou la precision souhaitee sur le 20 maintien de la pression au cours d'un palier est elevee, c'est-a-dire dans le cas ou la valeur donnee au seuil de tolerance est faible, 1'intervalle de temps TO prendra donc lui-meme une valeur faible, la compensation adequate du deficit de pression au cours d'un palier de pression 25 etant realisee par adaptation automatique de la frequence d'ouverture du clapet 222 en fonction de la vitesse de la chute de pression dans le reservoir 4. Enfin, 1'ordinateur 8, qui regoit le signal de volume Sv, assure egalement 1'enregistrement de ce signal 30 Sv et du signal de pression Sp de maniere correlee dans le temps, en vue du traitement ulterieur de ces signaux. 12 2895010 L'invention telle que decrite inclut donc egalement toutes les etapes de mise en oeuvre du pressiometre tel qu'il vient d'etre expose. 5 13 REVENDICATIONS . 1. Pressiometre destine a permettre 1'evaluation d'une propriete geotechnique du sous-sol, ce pressiometre comprenant, en tant que sous-ensembles, un outil de fond (1) destine a etre introduit dans un forage (F), un equipement de surface (2), et des moyens (30-33) de raccordement au moins propres a relier 1'outil a 1'equipement, ces sous-ensembles comprenant eux-memes au moins un premier manchon gonflable (11) porte par 1'outil de fond (1), un reservoir (4) sensiblement indeformable contenant des volumes complementaires (Vg, V1) de gaz (G) et de liquide (L), une source de gaz sous pression (21), un premier conduit (31) reliant la source de gaz (21) au volume de gaz (Vg) du reservoir (4), un deuxieme conduit (32) reliant le volume de liquide (Vl) du reservoir (4) au premier manchon gonflable (11), des moyens de controle de debit (220-222) interposes sur le premier conduit (31), un capteur de pression (5) propre a fournir un signal (Sp) lie a la pression du liquide dans le reservoir (4), et un capteur de volume (6) propre a fournir un signal (Sv) lie au volume (Vl) du liquide dans le reservoir (4), caracterise en ce que le reservoir (4) est porte par 1'outil de fond (1), en ce que le capteur de volume (6) comprend un detecteur de niveau de liquide (61) loge dans le reservoir (4), et en ce que les moyens de raccordement (30-33) comprennent un lien de transmission (30) reliant le detecteur de niveau (61) a 1'equipement de surface (2). 14 2895010 2. Pressiometre suivant la revendication 1, caracterise en ce que le reservoir (4), en configuration operationnelle de 1'outil de fond (1) dans un forage (F), est dispose au-dessus du premier manchon gonflable (11). 5 3. Pressiometre suivant la revendication 1 ou 2, caracterise en ce que le signal de volume (Sv) est de nature electrique et en ce que le lien de transmission (30) comprend une ligne electrique. 4. Pressiometre suivant 1'une quelconque des 10 revendications precedentes, caracterise en ce que le reservoir (4) est cylindrique. 5. Pressiometre suivant Tune quelconque des revendications precedentes, caracterise en ce que le liquide (L) presente une resistivite electrique 15 relativement faible, en ce que le detecteur de niveau (61) comprend au moins un element resistif (610) relie a un generateur d'energie electrique (60) et partiellement immerge dans le liquide (L), en ce que 1'element resistif (610) presente une forme allongee suivant la hauteur du 20 reservoir (4) et une resistivite electrique relativement forte, et en ce que le liquide (L) et 1' element resistif (610) partiellement shunte par le liquide (L) forment pour le generateur (60) une charge resistive (CR) presentant une resistance dependant du niveau de ce 25 liquide dans le reservoir (4). 6. Pressiometre suivant la revendication 5, caracterise en ce que le generateur d'energie electrique (60) delivre un courant alternatif. 7. Pressiometre suivant Tune quelconque des 30 revendications precedentes, caracterise en ce que 1'outil de fond (1) comprend en outre des deuxieme et troisieme manchons gonflables (12, 13), et un troisieme conduit 15 2895010 (33) reliant le volume (Vg) de gaz du reservoir (4) aux deuxieme et troisieme manchons (12, 13). 8. Pressiometre suivant Tune quelconque des revendications precedentes, caracterise en ce que les 5 moyens de controle de debit (220-222) comprennent un ajutage (221) et un clapet (222), en ce que 1'equipement de surface (2) comprend en outre des moyens (7, 8) de pilotage de pression dans lesquels sont memorises une pluralite de consignes (Kpi) de pression de valeurs 10 croissantes, un programme (PROG) d'application successive dans le temps de ces consignes (Kpi), et une loi de correspondance (CORR) reliant au moins ces consignes (Kpi) a des intervalles de temps respectifs correspondants (Tpi), et en ce que ces moyens (7, 8) de 15 pilotage de pression sont congus pour ouvrir selectivement le clapet (222), en vue de 1'application de chaque nouvelle consigne de pression (Kpi) conformement au programme (PROG), pendant 1'intervalle de temps (Tpi) correspondant a cette consigne. 20 9. Pressiometre suivant la revendication 8, caracterise en ce que les moyens (7, 8) de pilotage de pression sont relies au capteur de pression (5) et en ce quills sont en outre congus pour ouvrir le clapet (222) pendant un intervalle de temps predefini (TO) en reponse a un 25 deficit du signal de pression (Sp) par rapport a une pression de consigne (Kpi), lorsque ce deficit apparait pendant un palier a cette pression de consigne (Kpi) et lorsqu'il depasse un seuil predetermine. 10. Pressiometre suivant la revendication 8 ou 9, 30 caracterise en ce que les moyens (7, 8) de pilotage de pression comprennent une unite de commande (7) actionnant le clapet (222) et un ordinateur (8) dans lequel sont 16 2895010 memorises les consignes de pression (Kpi), le programme (PROG), et la loi de correspondance (CORR), cet ordinateur (8) etant relie a 1'unite de commande (7) et la pilotant. 5 11. Pressiometre suivant 1'une quelconque des revendications precedentes combinee a la revendication 8, caracterise en ce que les moyens de controle de debit (220-222) comprennent une electrovalve (220) portant a la fois 1'ajutage (221) et le clapet (222). 10