PRESSIOMETRE DE PRECISION AUTOMATISE

L'invention concerne, de façon générale, les techniques de diagraphie.

Plus précisément, l'invention concerne un pressiomètre destiné à permettre l'évaluation d'une propriété géotechnique du sous-sol, ce pressiomètre comprenant, en tant que sous-ensembles, un outil de fond destiné à être introduit dans un forage, un équipement de surface, et des moyens de raccordement au moins propres à relier l'outil à l'équipement, ces sous-ensembles comprenant eux-mêmes au moins un premier manchon gonflable porté par l'outil de fond, un réservoir sensiblement indéformable contenant des volumes complémentaires de gaz et de liquide, une source de gaz sous pression, un premier conduit reliant la source de gaz au volume de gaz du réservoir, un deuxième conduit reliant le volume de liquide du réservoir au premier manchon gonflable, des moyens de contrôle de débit interposés sur le premier conduit, un capteur de pression propre à fournir un signal lié à la pression du liquide dans le réservoir, et un capteur de volume propre à fournir un signal lié au volume du liquide dans le réservoir.

Des dispositifs de ce type sont très bien connus de l'homme du métier depuis leur invention par L. Ménard en 1955.

Le pressiomètre permet d'évaluer in situ les paramètres mécaniques des sols.

Une fois l'outil de fond, ou "sonde", introduit dans un forage, chaque manchon gonflable est soumis à une pression croissante par paliers, en nombre de six à quatorze par exemple, et suivant une progression arithmétique.

A chaque palier, le volume de liquide introduit dans le premier manchon à partir du réservoir est mesuré, typiquement 15 secondes, 30 secondes et une minute après la fin de la mise en pression

Le résultat de ces mesures est traduit par deux graphiques de chargement, ou courbes pressiométriques, dont l'une donne la variation de volume, mesurée à une minute, en fonction de la pression, et dont l'autre correspond aux variations de volume entre 30 secondes et une minute, en fonction de la pression.

Les pressiomètres existants souffrent de plusieurs défauts qui limitent très sérieusement la précision des résultats qu'ils fournissent. L'invention, qui s'inscrit dans ce contexte, a justement pour but de pallier ces imperfections et de proposer un pressiomètre de précision.

A cette fin, le pressiomètre de l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisé en ce que le réservoir est porté par l'outil de fond, en ce que les moyens de contrôle de débit comprennent un ajutage et un clapet, en ce que l'équipement de surface comprend en outre des moyens de pilotage de pression dans lesquels sont mémorisés une pluralité 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 à des intervalles de temps respectifs correspondants, et en ce que ces moyens de pilotage de pression sont conçus pour ouvrir sélectivement le clapet, en vue de l'application de chaque nouvelle consigne de pression conformément au programme, pendant l'intervalle de temps correspondant à cette consigne. Grâce à cet agencement, la pression du liquide est contrôlée de façon rigoureuse, sans intervention humaine, et sans subir ni l'influence de l'écoulement du gaz sur la mesure de la pression, ni celle du retard d'établissement de la pression dans le réservoir. De préférence, les moyens de pilotage de pression sont reliés au capteur de pression et sont en outre conçus pour ouvrir le clapet pendant un intervalle de

temps prédéfini en réponse à un déficit du signal de pression par rapport à une pression de consigne, lorsque ce déficit apparaît pendant un palier à cette pression de consigne et lorsqu'il dépasse un seuil prédéterminé. Les moyens de pilotage de pression comprennent par exemple une unité de commande actionnant le clapet et un ordinateur dans lequel sont mémorisés les consignes de pression, le programme, et la loi de correspondance, cet ordinateur étant relié à l'unité de commande et la pilotant.

Dans un mode de réalisation aisé de l'invention, les moyens de contrôle de débit peuvent comprendre une électrovalve portant à la fois l'ajutage et le clapet.

Pour augmenter encore la précision du pressiomètre de l'invention, il est possible de prévoir que le capteur de volume comprenne un détecteur de niveau de liquide logé dans le réservoir, et que les moyens de raccordement comprennent un lien de transmission reliant le détecteur de niveau à l'équipement de surface. Grâce à cet agencement, le volume est mesuré de façon simple et fiable sans que la mesure obtenue soit perturbée par divers artefacts, tels que le poids de la colonne de liquide entre la surface et le fond, la déformation du conduit de liquide qui, dans les pressiomètres existants, relie généralement le premier manchon au réservoir disposé en surface, ou encore l'inertie qu'oppose ce conduit à la circulation de liquide entre la surface et le fond.

En configuration opérationnelle de l'outil de fond dans un forage, le réservoir est avantageusement disposé au-dessus du premier manchon gonflable, c'est-à-dire plus proche de la surface du sol que ce premier manchon.

De préférence, le signal de volume est de nature électrique, le lien de transmission comprenant alors une ligne électrique.

Dans le mode de réalisation privilégié de l'invention, il est prévu que le liquide présente une résistivité électrique relativement faible, que le détecteur de niveau comprenne au moins un élément résistif relié à un générateur d'énergie électrique et partiellement immergé dans le liquide, que l'élément résistif présente une forme allongée suivant la hauteur du réservoir et une résistivité électrique relativement forte, et que le liquide et l'élément résistif partiellement shunté par le liquide forment pour le générateur une charge résistive présentant une résistance dépendant du niveau de ce liquide dans le réservoir.

Par ailleurs, le générateur d'énergie électrique délivre de préférence un courant alternatif pour éviter les polarisations parasites.

Pour simplifier la mesure et son interprétation, le réservoir peut être de forme cylindrique, l'élément résistif pouvant lui-même s'étendre suivant l'axe central du réservoir. Comme dans le cas des pressiomètres connus, l'outil de fond du pressiomètre de l'invention peut comprendre en outre des deuxième et troisième manchons gonflables, et un troisième conduit reliant le volume de gaz du réservoir à ces deuxième et troisième manchons. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels :

- la figure 1 est une vue schématique en coupe verticale d'un pressiomètre conforme à l'invention et en cours d'utilisation; et

- la figure 2 est une vue schématique en coupe verticale d'un détail fonctionnel de ce pressiomètre.

Comme annoncé précédemment, l'invention concerne un pressiomètre destiné à permettre l'évaluation d'une propriété géotechnique du sous-sol.

Un tel appareil comprend, en tant que sous-ensembles, un outil de fond 1 destiné à être introduit dans un forage F, un équipement de surface 2, et des moyens de raccordement, tels que 30 à 33, permettant notamment de relier l'outil 1 à l'équipement 2.

L'outil de fond 1 comprend en général trois manchons gonflables, à savoir un manchon principal et central 11, et deux manchons auxiliaires 12 et 13, adjacents au manchon central 11 et situés de part et d'autre de ce dernier.

Le manchon principal 11 est essentiellement formé par une membrane élastique annulaire susceptible d'être gonflée par injection d'un liquide L sous pression, par exemple de l'eau, provenant d'un réservoir 4 et acheminé par un conduit 32.

Le réservoir 4, par exemple réalisé dans un cylindre métallique sensiblement indéformable aux pressions considérées, contient, au-dessus du liquide L, un gaz G de propulsion tel que de l'azote pressurisé, le liquide et le gaz occupant des volumes respectifs et complémentaires Vl et Vg de ce réservoir 4.

L'équipement de surface 2 comprend typiquement une source 21 de gaz propre à délivrer le gaz G sous pression et reliée au volume de gaz Vg du réservoir 4 par un conduit d'alimentation 31.

L'équipement de surface 2 comprend également des moyens de contrôle de débit, tels que 220-222, qui sont interposés sur le conduit 31 et qui permettent de contrôler le passage du gaz G de la source 21 vers le réservoir 4, donc le passage du liquide L du réservoir 4 vers le manchon 11 à travers le conduit 32.

Le pressiomètre de l'invention comprend encore, de façon classique, un capteur de pression 5 et un capteur de volume 6, le capteur de pression 5 étant conçu pour fournir un signal Sp lié à la pression du liquide L dans le réservoir 4, et le capteur de volume 6 étant conçu

pour fournir un signal Sv lié au volume Vl du liquide dans le réservoir 4.

Selon l'invention, le réservoir 4 est porté par l'outil de fond 1 et par exemple disposé au-dessus du manchon gonflable central 11 lorsque l'outil de fond 1 est en place dans un forage F.

L ' équipement de surface 2 comprend en outre des moyens de pilotage de pression, et les moyens de contrôle de débit comprennent un ajutage 221 et un clapet 222, par exemple intégrés à une électrovalve 220.

Dans le mode de réalisation illustré, les moyens de pilotage de pression comprennent une unité de commande 7 propre à actionner le clapet 222, et un ordinateur 8 relié à l'unité de commande 7 et la pilotant. L'ordinateur 8 est doté d'une mémoire dans laquelle sont stockés une pluralité de consignes de pression de valeurs croissantes Kpi, un programme PROG d'application successive dans le temps de ces consignes Kpi, et une loi de correspondance CORR permettant de déterminer, au moins sur la base des consignes Kpi, des intervalles de temps respectifs correspondants Tpi.

Le programme PROG a pour fonction de déterminer à quels instants devront être appliqués les différents paliers de pression, les consignes Kpi définissant quant à elles les valeurs des différentes pressions qui devront être atteintes et maintenues au cours de ces différents paliers de pression.

La loi de correspondance CORR est définie de manière qu'à chaque nouveau palier de pression, c'est-à-dire lors de l'application de chaque nouvelle consigne de pression Kpi conformément au programme PROG, cette consigne de pression puisse être atteinte par l'ouverture du clapet 222, par les moyens 7 et 8 de pilotage de pression, pendant l'intervalle de temps Tpi correspondant à cette consigne Kpi.

En pratique, comme le gaz G est admis dans le réservoir G à travers l'ajutage 221, il s'écoule de façon laminaire .

La masse de gaz G admise dans le réservoir pendant une durée déterminée est donc, conformément à la loi de

Poiseuille, essentiellement représentée par une fonction linéaire de cette durée, l'incidence mineure des variations de la différence entre les pressions existant en amont et en aval de l'ajutage pouvant en outre être prise en compte et corrigée grâce à la connaissance préalable de la pression en amont de l'ajutage 221 et de la consigne Kpi à atteindre.

En variante, ou de façon cumulative, la loi de correspondance CORR peut être déterminée ou affinée expérimentalement par un calibrage préliminaire.

La loi CORR peut enfin être mémorisée sous forme d'une relation mathématique, ou plus simplement sous forme d'une ou plusieurs abaques.

Une fois qu'un nouveau palier de pression a été atteint de la façon indiquée ci-dessus, il convient de maintenir la pression dans le réservoir 4 à la valeur de la pression de consigne de ce palier jusqu'à l'instant où un autre palier de pression devra être atteint.

Comme cependant le manchon 11 peut, pendant la durée d'un palier de pression, refouler radialement la paroi du forage F et donc augmenter de volume, la pression dans le réservoir 4 peut décroître pendant cette durée et doit donc être compensée.

Pour ce faire, l'ordinateur 8 reçoit le signal de pression Sp en provenance du capteur de pression 5 auquel il est relié et compare ce signal de pression Sp, en permanence ou périodiquement à fréquence élevée, à la pression de consigne Kpi qui doit être maintenue pendant le palier de pression en cours. Dans le cas où le signal de pression Sp présente, par rapport à cette pression de consigne Kpi, un déficit

supérieur à un seuil de tolérance prédéterminé, l'ordinateur 8 transmet à l'unité de commande 7 l'ordre d'ouvrir le clapet 222 pendant un intervalle de temps prédéfini TO. En pratique, l'intervalle de temps TO est choisi de manière que la masse de gaz traversant l'ajutage 221 pendant cet intervalle de temps soit au moins légèrement supérieure à la masse de gaz nécessaire, dans le pire cas, pour compenser le déficit de pression correspondant au seuil de tolérance.

Dans le cas où la précision souhaitée sur le maintien de la pression au cours d'un palier est élevée, c'est-à- dire dans le cas où la valeur donnée au seuil de tolérance est faible, l'intervalle de temps TO prendra donc lui-même une valeur faible, la compensation adéquate du déficit de pression au cours d'un palier de pression étant réalisée par adaptation automatique de la fréquence d'ouverture du clapet 222 en fonction de la vitesse de la chute de pression dans le réservoir 4. Par ailleurs, l'ordinateur 8, qui reçoit le signal de volume Sv, assure également l'enregistrement de ce signal Sv et du signal de pression Sp de manière corrélée dans le temps, en vue du traitement ultérieur de ces signaux.

Pour augmenter encore la précision du pressiomètre de l'invention, il est possible de prévoir que le capteurde volume 6 comprenne un détecteur 61 de niveau de liquide logé dans le réservoir 4.

Un lien de transmission 30 est alors prévu pour relier le détecteur de niveau 61 à l'équipement de surface 2, ce lien étant par exemple constitué par une ligne électrique dans le cas avantageux où le signal de volume Sv est de nature électrique.

Dans un mode de réalisation efficace de l'invention, le détecteur de niveau 61 est de type résistif. Pour ce faire, le liquide L est choisi pour présenter une résistivité électrique relativement faible. Il est

notamment possible d'utiliser, en tant que liquide L, de l'eau ionisée par la présence d'impuretés, de sel ou, plus avantageusement encore, d'antigel.

Le détecteur de niveau 61 est quant à lui composé par exemple d'un élément résistif 610 et d'un conducteur pur tel qu'une barre de cuivre, l'élément résistif et le conducteur étant reliés à un générateur d'énergie électrique 60 et partiellement immergés dans le liquide L du réservoir 4. Le générateur délivre par exemple un courant alternatif d'amplitude constante et de fréquence égale à 270 Hz.

L'élément résistif 610 présente une forme allongée suivant la hauteur du réservoir 4 et, par définition, une résistivité électrique relativement forte c'est-à-dire au moins cent fois supérieure à celle du liquide L.

L'élément résistif 610 est par exemple enroulé autour de la barre conductrice 611 sans être en contact galvanique direct avec cette barre. Dans ces conditions, l'élément résistif 610 et la barre conductrice 611 sont galvaniquement reliés l'un à l'autre par le liquide L au voisinage immédiat du niveau de ce liquide dans le réservoir, l'élément résistif 610 étant shunté par le liquide sur toute sa longueur immergée.

En d'autres termes, le liquide L, l'élément résistif 610, et accessoirement la barre conductrice 611, forment pour le générateur de courant 60 une charge résistive CR dont la résistance électrique dépend du niveau de ce liquide dans le réservoir 4, donc du volume de liquide L dans ce réservoir.

Le signal Sv de volume peut ainsi être représenté par le signal de sortie d'un voltmètre à détection en phase 62 installé en parallèle sur le générateur de courant 60.

En variante, la paroi du réservoir 4, également supposée conductrice, peut être utilisée à la place de la barre conductrice 611 pour refermer la boucle de courant.

Des détecteurs de niveau de ce type sont par exemple décrits dans le brevet US 4 188 826.

Comme le montre la figure 1, le capteur de pression 5 peut quant à lui être disposé dans la phase gazeuse du contenu du réservoir 4, et notamment dans le conduit 31 d'alimentation en gaz G. Comme le montre encore la figure 1, les manchons gonflables auxiliaires 12 et 13 sont sélectivement gonflés par le gaz G, et à cette fin reliés, par un conduit 33, au volume Vg de gaz G du réservoir 4.

L'invention telle que décrite inclut donc également toutes les étapes de mise en oeuvre du pressiomètre tel qu'il vient d'être décrit.