METHOD AND APPARATUS FOR MEASURING THE HARDNESS OF ROCK IN A BOREHOLE

Abstract: 1. Process for the analog measurement of the hardness of rock flush with the wall (10) of a drill hole by means of a probe connected to a traction rope, in which the probe is provided with two diametrically opposite scoring tools (26) which are spaced apart by force and an upward traction is exerted on the rope (7), characterised in that the scoring tools (26) are driven into the rock by a constant depth of penetration and the force of traction exerted on the rope (7) during the upward movement of the probe (1) is measured.

Description: L'invention concerne un nouveau procédé de mesure de la dureté d'une roche affleurant la paroi d'un forage au moyen d'une sonde liée à un câble de traction dans lequel on munit la sonde de deux outils de rayage diamétralement oppo sés, on les écarte à force et on exerce une traction ascendante sur le câble. L'invention concerne également une sonde pour la mise en oeuvre de ce procédé. Lorsqu'on désire obtenir des informations sur la résistance mécanique des terrains rencontrés dans un forage, on doit procéder à des essais de résistance sur des échantillons prélevés par carottage vertical ou oblique. Le prélèvement d'échantillons est donc une méthode toujours coûteuse et longue. En outre il n'est pas toujours possible de ramener des échantillons suffisamment volumineux pour procéder à des essais de résistance mécanique, surtout lorsqu'il s'agit de terrains sédimentaires tendres. Un procédé et un dispositif du type décrit au début et conçu à cet effet ont été décrits dans le brevet US 3 283 566. Mais le procédé et le dispositif de ce brevet ne donnent aucune garantie de fiabilité, car les outils sont écartés de façon constante sans considération des inégalités de paroi bu de diamètre du forage. Le but de l'invention est de proposer un nouveau procédé évitant de tels inconvénients et donc de très grande friabilité. Ce but est atteint, grace à l'invention, dans un procédé du type décrit au début, par le fait qu'on enfonce les outils de rayage d'une profondeur constante de pénétration dans la roche et on mesure la force de traction exercée sur le câble pendant le déplacement ascendant de la sonde. Des études effectuées par la demanderesse ont montré qu'il y avait une relation linéaire entre l'effort ainsi exercé sur les outils de rayage, pour une profondeur de passe constante, et la résistance à la compression de la roche constituant les parois explorées du sondage. Grâce à l'invention on pourra économiser des travaux coûteux lors de l'élaboration d'avant-projets d'exploitation minières, et ce avant meme l'ouverture de tous travaux miniers dans le gisement, tels que: recherche d'un bon toit ou d'un bon mur pour une exploitation souterraine, recherche d'un banc pour l'ancrage des boulons, prévision du comporte ment des terrains lors d'un foudroyage, en particulier recherche des bancs durs, ripabilité des terrains pour une exploitation en découverte, creusement de cheminées d'aérage par alésage d'un trou central. Les buts de l'invention sont également atteints par une sonde qui comporte un ensemble comprenant - deux chariots diamétralement opposés, mobiles en écartement et en rapprochement l'un de l'autre, chacun des chariots comportant - au moins deux galets d'appui à la paroi écartés dans la direction du corsage et disposés pour le déplacement en appui du chariot dans cette meme direction du forage, - un outil de pénétration par rayage disposé en position intermédiaire entre les galets d'appui écartés dans le sens du forage et s'étendant au-delà de l'alignement ou du plan défini par ces galets, - des moyens commandés drécartement à force des deux chariots en appui contre la paroi du forage Selon un mode de réalisation préféré, les chariots sont portés oscillants à l'extrémité de bras x r oscillant symétriquement en sens opposés et dirigés vers le bas, l'axe d'oscillation de chaque chariot étant situé, en écartement, entre l'outil de pénétration par rayage et le ou les galets le plus ou les plus écartés du bras oscilw lant. Bien que son déplacement linéaire puisse être mesuré par la longueur déroulée du cable de traction, il est préféré, pour éliminer les erreurs dues à l'allongement élastique de ce câble, que lÅa sonde comporte elle-même des moyens de mesure de son déplacement linéaire dans le forage. Ces moyens devront être insensibles à l'eau et aux boues. Bien qu'on puisse exercer sur le câble de traction une traction au moyen d'un treuil dynamomér trique, il est préféré, selon l'invention, d'utiliser un treuil de type courant, pourvu que la sonde comporte un dynamomètre intercalé entre le câble et l'ensemble comprenant les deux chariots et les moyens d'écartement de ces chariots. D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui sera donnée ci-après uniquement à titre exemple. On se reportera à cet effet aux dessins annexés, dans lesquels - la figure 1 représente, en coupe schématique, la partie inférieure dtune sonde selon l'inven- tion en position de mesure dans un forage, - la figure 2 représente, en coupe schématique, la partie supérieure de la même sonde, -la figure 3 représente, vu de face, l'un des chariots de rayage de la figure 1 - la figure 4 représente la partie la plus basse de la sonde, mais en position de descente ou de remontée sans mesure, - la figure 5 représente une variante, analogue à la représentation de a figure 4 pour des forages de grand diamètre. La sonde représentée sur les figures 1 à 4 sera décrite, en partant du bas. Elle comporte essentiellement un corps tubulaire i, pouvant être suspendu, par un anneau 7 à l'anneau inférieur 8.d'un dynamomètre 2 intercalé entre le corps 1 et un câble de traction 7 au moyen d'un anneau 9. lie corps I comporte : un dispositif 2 de support de chariots ; un dispositif 3 de poussée en écartement des chariots vers la paroi 10 d'un forage ; un dispositif 4 de commande de poussée et de fourniture d'énergie de poussée au dispositif 3 ; un dispositif 5 de mesure du déplacement linéaire du corps 1 dans le forage. Ces différents dispositifs sont montés soit dans un carter tubulaire unique, soit dans des unités fonctionnelles solidement liées ensemble. L'extrémité inférieure du corps 1 porte deux axes d'articulation 20 écartés de l'axe Il du corps 1 et perpendiculaires à cet axe 11. Sur ces axes 20 sont montés deux bras oscillants 21, dont les extrémités libres inférieures peuvent être rapprochées (figure 4) ou écartées (figure 1) comme il sera décrit plus loin. h lex- trémité libre de chaque bras 21 est monté un chariot 22 pouvant pivoter autour d'un axe 23 parallèle aux axes 20. Chaque chariot 2?, qui a l'aspect général d'une fourche (figure 3), porte, sur sa face fourchue la plus écartée de l'axe 11 trois galets dépassant cette face, à savoir un galet supérieur 24 à 1' extrémité de la fourche et deux galets inférieurs 25 à la base de la fourche. Lorsque les bras 21 sont en position écartée l'un de l'autre, les chariots 22 sont appliqués contre la paroi 10, de telle sorte que, lorsque la sonde est relevée par traction du câble 7 les galets 24 et 25 offriraient aux chariots une ligne ou sensiblement un plan d'appui et de roulement dans la direction du forage, si aucun élément du chariot ne s'étendait au-delà de leur alignement. Mais, selon l'invention, les chariots 22 portent, chacun, un outil dur 26, par exemple en acier à outil ou en carbure de tungstène, qui dépasse au-delà de l'alignement ou du plan affleurant les galets 24 et 25. L'outil 26 est monté sur un porte-outil 27 fixé entre deux flancs du chariot 22 par des vis 28. Cet outil doit se situer, en hauteur, entre l'axe 23 et le galet 24 c'est-a-dire que l'axe 23 doit être situé en écartement entre les galets 25 et l'outil 26. L'outil 26 est prévu pour pénétrer dans la paroi 10 pour y pratiquer une saignée lorsque les chariots sont en appui contre les parois et qu'ils sont simultanément tractés vers le haut du forage. Connaissant la courbure du forage, il est aisé de régler leur distance de dépassement au-delà du plan affleurant les galets 24 et 25 pour qu'ils pénètrent d'une profondeur voulue lorsque ces galets sont effectivement en appui contre les parois 10 du forage. lie dispositif 3 de poussée en écartement des chariots 22 vers la paroi 10 est constitué par un vérin hydraulique 31 à commande oléopneumatique contre la force d'un ressort de rappel 32 agissant sur son piston 33. La tige 34 du vérin 31 agit en poussée directement sur une face 29 de chacun des bras oscillant 21 ladite face constituant bras de levier pivotant autour de l'axe 20 et s'étendant vers l'axe 11 lia poussée vers le bas du vérin 31 assure donc l'appui des chariots 22 comme il a été explosé. lie vérin 31 est alimenté en pression hydraulique axtravers une canalisation 35 par l'intermédiaire d'une chambre à membrane 41 qui reçoit une pression pneUmatique provenant d'un réservoir de pression 44 à travers une canalisation 42 et une électrovanne 43. Une seconde électrovanne 45 permet de commander le vérin en relâchement par mise à l'air du côté pneumatique de la chambre à membrane 41. La sonde comporte en outre, un dispositif, insensible à l'eau et aux boues, de mesure de son déplacement linéaire, constitué par une roulette 51 d'axe horizontal 55 montée folle à l'extrémité dgun bras 52 monté oscillant dans le plan a2zal de la sonde autour d'un pivot 53 porté par le corps le Un deuxième bras 54 est articulé par l'une de ses extrémités sur l'axe 55 de rotation de la roulette 51 et est guidé en coulissement par son autre extrémité sur une tige 56 constituant glissière par l'intermédiaire d'un coulisseau articulé 570 Un ressort 58 tend à repousser le coulisseau 57 vers le bas et donc à écarter la roulette 51 au contact de la paroi 10. La roulette 51 est appliquée contre la paroi 10 avec adhérence, grâce à une pluralité de dents 59 qui en dépassent, Ces dents sont en matériau ferro-magnétique, par exemple des aimants permanents, dont le passage en rotation peut être détecté par un interrupteur magnétique 60, du type connu sous le nom dtinter- rupteur à lame souple, monté sur le bras 52e Lorsque la roulette se déplace verticalement avec la sonde contre la paroi 10, le passage de chaque dent 59 devant l'interrupteur 60 provoque une impulsion. Connaissant la distance périphérique des dents 59, on déduit facilement la longueur du parcours de la sonde du nombre d'impulsions reçues. On voit que ce dispositif est insensible à l'eau et aux boues. Pour le passage des bras 52 et 54, le corps 1 présente une fente le long d'une génératrice 64 sur une hauteur convenable. Sur cette hauteur, la tige 56 et des tiges 65 donnent au corps une rigidité suffisante et sont protégées par une simple enveloppe cylindrique fendue. La sonde comporte encore des liaisons électriques dont, pour plus de simplicité du dessin, on n'a représenté que les extrémités.. lies électrovannes 43 et 45 reçoivent leurs ordres de la surface respectivement par des conducteurs 46 et 47. L'interrupteur 60 envoie ses signaux à la surface d'un compteur d'inpulsions par un conducteur 61. Un câble de raccordement 63, lié de facon conpue en soi au câble de traction 7 réunit le conducteur du dynamomètre 6 et un câble 62 réunissant les conducteurs 46, 47 et 61. Pour protéger mécaniquement ces conducteurs, il sera possible de les faire passer dans le bottier du dynamomètre grâce à des bornes de jonction appropriées. A la figure 5, on a représenté une variante, dans laquelle les bras 22 sont prolongés, en écar tement, par des rallonges 19 à l'extrémité desquelles sont montés articulés les chariots 22. Un ressort 18 tend à rap procher les chariots 22 pour faciliter l'introduction et la descente de la sonde dans le forage. Avec les rallonges 19 on pourra, par exemple, explorer un forage de 400 mm avec une sonde de 60 mm de diamètre dont la configuration des figures 1 à 4 permetrait d'explorer des forages de 80 à 200 mm. lie corps 1 de la sonde peut, bien en-. tendu, comporter d'autres capteurs de mesure, notamment de pression hydrostatique et de température, dont les indications électriques pourront être transmises par le câble 63. L'utilisation de la sonde est très sinople. On rétracte le vérin, puis on introduit la sonde au niveau désiré mesuré soit par la longueur de câble déroulé, soit par mesure de pression hydrostatique. On commande la mise en pression du vérin, ce qui provoque l'appui diamétralement opposé des chariots sur la paroi du forage. On tracte le cable de traction au moyen du treuil de surface, soit sur une longueur fixée à l'avance, soit jusqu'à ce que que le dynamomètre indique une variation significative de l'effort de traction. L'étalonnage de l'appareil est très simple puisqu'il suffit, pour un réglage d'outil donné, d'établir le rapport entre résistance à la compression et force de traction par un essai unique. Ce rapport sera pris conte coefficient applicable aux autres mesures de force de traction pour en déduire la résistance à la compression.

Claims: REVENDICATIONS 10) Procédé de mesure analogique de la dureté d'une roche affleurant la paroi (10) d'un forage au moyen d'une sonde liée à un câble de traction, dans lequel on munit la sonde de deux outils de rayage (26) diamétralement opposés, on les écarte à force et on exerce une traction ascendante sur le câble (7), caractérisé en ce qu'on enfonce les outils de rayage (26) d'une profondeur constante de pénétration dans la roche et on mesure la force de traction exercée sur le câble (7) pendant le déplacement ascendant de la sonde (1). 20) Sonde de mesure de la dureté d'une roche affleurant la paroi d'un forage destinée à être liée à un câble pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte un ensemble comprenant - deux chariots (22) diamétralement opposés, mobiles en écartement et en rapprochement l'un de l'autre, chacun des chariots (22) comportant - au moins deux galets d'appui (24, 25) à la paroi écartés dans la direction du forage et disposés pour le déplacement en appui du chariot (22) dans cette même direction du forage - un outil (26) de pénétration par rayage disposé en position intermédiaire entre les galets d'appui (24, 25) écartés dans le sens du forage et s'étendant au-delà de l'alignement ou du plan défini par ces galets, - des moyens commandés d'écartement à force des deux chariots (22) en appui contre la paroi (10) du forage. 30) Sonde selon la revendication 1, caractérisée en ce que les chariots (22) sont portés oscillants à l'extré- mité de bras oscillants (21) symétriquement én sensxopposés et dirigés vers le bas. 40) Sonde selon la revendication 3, caractérisée en ce que l'axe d'oscillation de chaque chariot (22) est situé, en écartement, entre l'outil (26) de pénétration par rayage et le ou les galets (25) le plus ou les plus écartés du bras oscillant (21). 50) Sonde selon l'une quelconque des revendications 2 à. 4, caractérisée en ce que les moyens commandés d'écartement à force des deux chariots (22) comportent un vérin (31), un réservoir de pression (44) et des moyens de commande électrique de mise en pression du vérin (31) par le réservoir (44) et de mise en détente du vérin (31). 60) Sonde selon les revendications 3 et 5 combinées, caractérisée en ce que le vérin (31) agit en écartement sur les bras oscillants (21). 7 ) Sonde selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens élastiques (18) de rapprochement central des chariots (22). 80) Sonde selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens de mesure de son déplacement linéaire dans le forage. 90) Sonde selon la revendication 8, caractérisée en ce que les moyens de mesure de déplacement linéaire de la sonde comportent une roulette folle (51), d'axe perpendiculaire à celui de la sonde (1), munie d'organes d'information (59) angulairement également répartis, un moyen de comptage (60) de passage des organes d'information (59) et un moyen (58) d'appui élastique de la roulette contre la paroi du sondage. 10 ) Sonde selon l'une quelconque des revendications 2 à 9, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre un dynamomètre (6) intercalé entre le câble (7) et l'ensemble comprenant les deux chariots (22) et les moyens d'écartement (31, 34) de ces chariots (22).

Inventors: FINE, JACQUES
Applicants: ASSOCIATION POUR LA RECHERCHE ET LE DEVELOPPEMENT DES METHODES ET PROCESSUS INDUSTRIELS (ARMINES)
Application year: 1979
Main classification: G01N3
IPC codes: G01N3, E21B49, E02D1