Domaine technique

La présente invention se rapporte à un dispositif de mesure de déformations dans un trou de forage. Elle se rapporte également à une installation de forage comprenant ledit dispositif et à un procédé de mesures mis en œuvre par ledit dispositif.

État de la technique antérieure

Tous les dispositifs de mesure de déformations dans un trou de forage sont installés verticalement dans le forage et sont mécaniquement fixés avec du béton dans le terrain encaissant.

Certains de ces dispositifs ne mesurent que la composante volumétrique horizontale tandis que d’autres dispositifs ne mesurent que les composantes de la déformation dans le plan horizontal, au nombre de trois.

Aussi, il n’existe pas de dispositif de mesure de l’ensemble de toutes les composantes de la déformation, au nombre de six.

Enfin, les dispositifs existants ne permettent pas d’effectuer in situ la détermination des propriétés mécaniques du matériau de forage et de la roche encaissante.

Exposé de l’invention

Un but de l’invention est notamment de remédier à tout ou partie des inconvénients précités.

À cet effet, il est proposé, selon un premier aspect de l’invention, un dispositif de mesure de déformations convenant à être disposé dans un trou de forage, comprenant : une coque élastique creuse ayant un diamètre compatible avec ledit trou de forage dans lequel il est inséré ; un système de mise en pression de ladite coque élastique creuse ; des détecteurs uniaxiaux disposés à l’intérieur de la coque élastique creuse pour mesurer l’allongement de ladite coque élastique creuse dans au moins six directions différentes.

Les détecteurs uniaxiaux peuvent être dotés d’extrémités ancrées dans la coque élastique creuse.

La coque élastique creuse peut être de forme sphérique. Avantageusement, la coque élastique creuse peut présenter des propriétés élastiques homogènes et un coefficient de dilatation thermique modéré.

Par exemple, la coque élastique creuse peut être en béton fibré ou en polycarbonate. De préférence, la coque élastique creuse est en un matériau monolithique.

Selon un mode de réalisation, le système de mise en pression comporte un tube s’étendant depuis la surface du trou de forage jusqu’à l’intérieur de la coque élastique creuse.

Les détecteurs uniaxiaux peuvent être formés de systèmes déformables dont des extrémités sont fixées (collées ou ancrées) sur la coque élastique creuse afin d’assurer un couplage solidaire.

Les systèmes déformables peuvent être des amplificateurs de déplacement dont deux sommets opposés situés sur le grand axe du parallélogramme sont fixés sur la coque élastique creuse.

Avantageusement, les grands axes des systèmes uniaxiaux sont parallèles aux arêtes d’un tétraèdre régulier.

Le dispositif selon le premier aspect de l’invention peut en outre comporter un dispositif de mesure sans contact agencé pour mesurer l’indice de réfraction du milieu.

Le dispositif de mesures sans contact peut être de type capacitif ou optique.

Le dispositif selon le premier aspect de l’invention peut en outre comporter un dispositif de communication prévu pour transmettre les mesures du dispositif de mesures sans contact au niveau de la surface du trou de forage.

Selon un deuxième aspect de l’invention, il est proposé une installation de forage comprenant un dispositif de mesure selon le premier aspect de l’invention, ou l’un ou plusieurs de ses perfectionnements.

Selon un troisième aspect de l’invention, il est proposé un procédé de mesure de déformations au niveau d’un trou de forage, mis en œuvre dans une installation de forage selon le deuxième aspect de l’invention, comprenant une étape initiale de mise en pression de la coque élastique et une étape de mesure des variations des allongements de chacun des détecteurs uniaxiaux du dispositif de mesure de ladite installation de forage, par rapport à un allongement de référence mesuré au cours d’une étape de calibrage. Le procédé selon le troisième aspect de l’invention peut comprendre une étape de calibrage au cours de laquelle l’allongement de référence est mesuré pour chacun des détecteurs uniaxiaux.

Le procédé peut en outre comprendre une étape de détermination de l’évolution de propriétés mécaniques au niveau du trou de forage par mesure de variation des allongements de chacun des détecteurs uniaxiaux puis une comparaison avec l’isotropie, après incrément de pression à l’intérieur de la coque élastique creuse au moyen du système de mise en pression de ladite coque élastique creuse.

Description des figures

D’autres avantages et particularités de l’invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée de mises en œuvre et de modes de réalisation nullement limitatifs, au regard de dessins annexés sur lesquels :

• Figure 1 représente est une vue schématique en coupe d’un mode de réalisation d’une installation de forage selon l’invention,

• Figure 2 représente une vue schématique en coupe d’un mode de réalisation d’un dispositif de mesure selon l’invention équipant l’installation de forage représentée sur Figure 1,

• Figure 3 représente une vue en perspective d’un deuxième mode de réalisation d’un dispositif de mesure selon l’invention équipant l’installation de forage représentée sur Figure 1,

• Figure 4 représente une vue schématique en coupe d’un troisième mode de réalisation d’un dispositif de mesure selon l’invention équipant l’installation de forage représentée sur Figure 1,

• Figure 5 représente une vue schématique d’un système déformable mis en œuvre dans un dispositif représenté sur Figure 2,

• Figure 6 illustre un mode de réalisation d’un procédé de mesure de déformations au niveau d’un trou de forage, mis en œuvre dans l’installation de forage illustrée sur Figure 1,

• Figure 7 décrit un procédé de détermination d’une configuration du tétraèdre éclaté. Description de mode de réalisation

Les modes de réalisation décrits ci-après n’étant nullement limitatifs, on pourra notamment considérer des variantes de l’invention ne comprenant qu’une sélection de caractéristiques décrites, par la suite isolées des autres caractéristiques décrites, si cette sélection de caractéristiques est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l’invention par rapport à l’état de la technique antérieure. Cette sélection comprend au moins une caractéristique, de préférence fonctionnelle sans détails structurels, ou avec seulement une partie des détails structurels si cette partie uniquement est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l’invention par rapport à l’état de la technique antérieure.

Sur les figures, un élément apparaissant sur plusieurs figures conserve la même référence.

En référence à Figure 1, il est représenté une vue schématique en coupe d’une installation de forage 1 selon un mode de réalisation de l’invention. La coupe est réalisée selon un axe horizontal X et un axe vertical Z.

L’installation de forage 1 comprend notamment un trou de forage 2 réalisé dans un terrain encaissant 3, s’étendant depuis une surface 4 selon l’axe vertical Z. Le trou de forage 2 doit être rempli par un corps rigide et peu compressible. Il peut par exemple être bétonné ou rempli par des billes en verre ou silice, de diamètre millimétrique. L’installation de forage 1 est équipée d’un dispositif de mesure 10 selon l’invention.

Le dispositif de mesure 10 comprend une coque élastique creuse 11 , de préférence de type sphère, qui présente un diamètre compatible avec le trou de forage 2 dans lequel elle est insérée. Alternativement, la coque élastique creuse peut être de type ellipsoïde, de type cylindre.

Le diamètre extérieur de la coque élastique creuse présente une valeur dans la gamme de 15 cm à 30 cm.

La coque élastique creuse peut présenter une paroi intérieure élastique. L’épaisseur de la paroi est déterminée pour permettre une déformation mesurable en réponse aux forces exercées par le terrain encaissant 3. La paroi intérieure peut-être de l’ordre de 1 à 2 cm d’épaisseur.

La coque élastique creuse peut présenter des propriétés mécaniques isotropes, ou sensiblement isotropes. Plus précisément, la paroi intérieure élastique est formée de Polystyrène enveloppant immédiatement le volume intérieur de la coque élastique creuse.

Une deuxième épaisseur annulaire élastique, qui peut être en métal, en béton fibré de préférence à faible retrait, ou en polycarbonate, forme une autre partie de la coque élastique creuse en entourant la paroi intérieure élastique. Plus généralement, la deuxième épaisseur annulaire élastique est réalisable avec tout matériau résistant présentant des propriétés élastiques homogènes et un coefficient de dilatation thermique modéré, tel que celui du béton. Ainsi, la coque élastique creuse peut être en un matériau monolithique.

Le coefficient de dilatation thermique peut être inférieur à 10 ^-5 C° ^_1 .

Le dispositif de mesure 10 comprend en outre un système de mise en pression 12 de la coque élastique creuse 11 .

Le dispositif de mise en pression 12 a plusieurs fonctions : en laboratoire, la mise en pression transitoire permet de calibrer les six capteurs uniaxiaux, de vérifier l’isotropie de déformation de la sphère, de calculer ses propriétés élastiques ; en forage, la mise en pression transitoire et la réponse des six capteurs permettent d’évaluer les propriétés élastiques du milieu environnant ; à grande profondeur, la mise en pression permanente permet de compenser le poids des terrains et de conserver la coque sphérique creuse dans le domaine des déformations élastiques.

Le système de mise en pression 12 peut par exemple comporter un tube métallique 121 s’étendant depuis la surface 4 jusque dans la coque sphérique creuse 11. Du côté de la surface 4, le tube métallique peut par exemple être relié à une bonbonne de mise en pression équipée d’un manomètre et une vanne de contrôle (non représenté).

Le dispositif de mesure 10 comprend en outre des détecteurs uniaxiaux 13 pour mesurer l’allongement de ladite sphère dans six directions différentes. Plus précisément, la mesure de la déformation peut être effectuée par un interféromètre de Fabry-Pérot en bout de fibre optique autorisant une résolution nanométrique.

Comme illustré sur Figure 2, les détecteurs uniaxiaux 13 peuvent être formés de systèmes déformables à joints flexibles c1 , c2, c3, c4, c5, c6 dont les extrémités sont fixées sur la sphère 11 . Dans l’exemple représenté, les systèmes déformables à joints flexibles c1 , c2, c3, c4, c5, c6, mesurent, respectivement, les allongements d1 , d2, d3, d4, d5, d6. Des systèmes rigides à mesure optique ou capacitive pourraient aussi être utilisés pour mesurer les variations de déformation. Ces systèmes déformables sont appelés flexural hinges dans la littérature scientifique, ce qui peut se traduire par structure à joints flexibles.

La déformation de la coque élastique creuse 11 est déterminée à partir de la mesure des allongements transverses d1 , d2, d3, d4, d5, d6, à partir de formules mathématiques correspondant à l’inversion d’un système linéaire 6x6. Ce système comporte comme données les vecteurs d’orientation des détecteurs uniaxiaux et les allongements longitudinaux des détecteurs, et comme inconnues le tenseur de déformation à 6 composantes. Il est possible d’ajouter de la redondance en ajoutant des détecteurs uniaxiaux. La mesure des allongements transverses permet de calculer dans un premier temps les allongements longitudinaux, puis les six composantes du tenseur de déformation de la coque creuse élastique.

Dans l’exemple représenté, les systèmes déformables c1 , c2, c3, c4, c5, c6 sont des amplificateurs de déformation dont deux sommets opposés situés sur le grand axe du sont fixés sur la sphère en des points P1 , P2, P3 et P4, les points P1 , P2 P3 et P4 formant un tétraèdre régulier de la sphère 11 pour l’exemple donné, dont la face P1 , P2 et P3 s’inscrit dans le plan X-Y, la base X, Y, Z étant orthogonale directe. Les systèmes déformables permettent d’amplifier transversalement les déplacements longitudinaux appliqués aux extrémités, ce qui augmente la résolution de la mesure. La forme sphérique autorise une orientation optimale des capteurs uniaxiaux. Par exemple, les directions des arêtes d’un tétraèdre régulier permettent d’échantillonner de façon optimale la déformation tridimensionnelle d’un petit volume.

Le choix des matériaux utilisés pour les amplificateurs est important, car toute déformation de la sphère, quelle soit d’origine thermique ou mécanique, sera amplifiée d’un facteur compris entre 10 à 30 avant d’être mesurée par le système optique.

Il est donc très intéressant de disposer d’un matériau le moins dilatable possible, afin que les mesures rendent compte exclusivement de la déformation d’origine mécanique.

Les coefficients de dilatations des matériaux utilisables pour construire les amplificateurs sont :

Aluminium: 26 x 10 ⁶ K ¹ Acier: 11 x 10 ⁶ K ¹ Invar: 1.0 x 10 ⁶ K ¹ Verre borosilicate: 3.3 x 10 ⁶ K ^-1 Verre de Silice: 0.6 x 10 ⁶ K ^-1 Vitrocéramique « Zerodur »: 0.02 x 10 ⁶ K ^-1

Le premier amplificateur de laboratoire a été usiné dans l’aluminium. Bien que les verres et céramiques soient délicats à usiner du fait de leur fragilité, il apparait donc spécialement intéressant d’utiliser le Zerodur, matériau ultra stable sur un plan thermique (1300 fois moins dilatable que l’aluminium).

Dans l’exemple représenté, les grands axes des capteurs forment deux à deux un angle de arccos (1/3), soit 70,529 degrés. Le facteur d’amplification entre la déformation longitudinale, imposée par la sphère, et la déformation transversale mesurée, peut varier entre 10 et 30 suivant les dispositifs utilisés.

Toujours en référence à Figure 2, chacun des parallélogrammes des systèmes déformables c1 , c2 et c6 présente un sommet fixé sur le point P1 , chacun des parallélogrammes des systèmes déformables c2, c3 et c4 présente un sommet fixé sur le point P2, chacun des parallélogrammes des systèmes déformables c4, c5 et c6 présente un sommet fixé sur le point P3. Les sommets des parallélogrammes des systèmes déformables c1 , c3 et c5 qui sont opposés au points P1 , P2, P3 sont fixés sur le point P4.

Comme cela est visible sur Figure 2, les points P1 , P2, P3 sont dotés d’extrémités qui sont ancrées dans la coque élastique creuse 11 .

Figure 3 illustre une autre disposition de systèmes déformables au sein de la coque élastique creuse 11 dans laquelle les systèmes déformables c1 , c2, c3, c4, c5 et c6 sont placés différemment sur un tétraèdre éclaté, ce qui nécessite 12 points d’ancrage, respectivement P1 et PT, P2 et P2’, P3 et P3’, P4 et P4’, P5 et P5’, P6 et P6’, au lieu de 4. Là encore, les arêtes c1 et c4, c2 et c5, c3 et c6 sont orthogonales deux à deux. Un procédé de détermination d’une configuration du tétraèdre éclaté sera décrit en référence à Figure 7.

Figure 4 illustre encore un autre mode de réalisation, dans lequel les systèmes déformables, par exemple le système c1 , comportent une barre déformable b en compression sur laquelle est enroulée une fibre optique fo avec un grand nombre de tours. La déformation de la sphère 11 engendre une variation de longueur entre les points d’ancrage P1 , PT, ce qui occasionne une tension/compression de la fibre mesurable par interférométrie. Au moins 6 systèmes de ce type doivent être installés, dans des directions parallèles à celles des arêtes d’un tétraèdre régulier, afin de calculer le tenseur des déformations associé à la sphère.

Le dispositif de mesure 10 qui comprend en outre un dispositif de mesures sans contact 14 agencé pour la mesure des variations du chemin optique en l’absence d’allongement. Ce dispositif de mesure optique permet de corriger les mesures de variations de distances transversales d1 , d2, d3, d4, d5, d6 des variations d’indice de réfraction.

Comme illustré par Figure 5, le dispositif de mesure sans contact 14 associé au système c1 présente une topologie basée sur une structure symétrique à cinq barres rigides bh, b1 , b1 ’, bis, b1 ’s, pour l’amplification du déplacement est proposé, et un mécanisme souple est mis en œuvre pour l’amplificateur. Dans la littérature, ce type d’amplificateur mécanique est appelé amplificateur mécanique souple ou CMA, pour l’anglais compilant mechanical amplifier. Le dispositif de mesure sans contact 14 peut atteindre un grand rapport d’amplification et une fréquence naturelle élevée, par rapport aux autres topologies.

Les cercles représentent les joints flexibles, les barres les parties rigides. L’application d’une compression/extension axiale en entrée (flèches horizontales à l’extérieur du dispositif) au niveau des points d’ancrage P1 , RG, engendre une déformation transversale en sortie proportionnelle à la déformation d’entrée, mais amplifiée (flèches verticales).

Le dispositif 14 de mesure sans contact comporte en outre de manière classique un collimateur relié à une fibre optique et orienté pour mesurer les variations de distance en sortie, la sortie étant disposée entre un miroir d’angle placé au centre de la barre bh à une extrémité de l’espace de sortie et disposé sur le chemin optique du collimateur, et un miroir plan disposé à l’autre extrémité de l’espace de sortie, sur le chemin optique du collimateur.

Le dispositif de mesure 10 comprend en outre un dispositif de communication 15 prévu pour communiquer les mesures du dispositif de mesures sans contact au niveau de la surface du trou de forage. Le dispositif de communication 15 comporte par exemple un câble d’acquisition de données étanches 151 s’étendant depuis la surface 4 jusque dans la sphère 11 où il est raccordé au dispositif de mesure 10. Figure 6 illustre un mode de réalisation d’un procédé de mesure P de déformations au niveau d’un trou de forage, mis en œuvre dans une installation de forage 1 selon l’invention.

Le procédé de mesure P comprend :

• une étape initiale Ei de mise en pression de la sphère du dispositif de mesure,

• une étape de calibrage Ec de mesure des allongements de chacun des détecteurs uniaxiaux du dispositif de mesure 10 de l’installation de forage 1 , au cours de laquelle un allongement de référence est mesuré pour chacun des détecteurs uniaxiaux,

• une ou plusieurs étapes de mesure Emi des variations des allongements de chacun des détecteurs uniaxiaux, par rapport à un allongement de référence mesuré au cours d’une étape de calibrage.

Le dispositif de mesures selon l’invention permet de mesurer le tenseur de déformation dans le forage avec une précision de l’ordre de 10 ^L -9 (un nanomètre par mètre), ce qui est utile pour les applications géophysiques dans le domaine des réservoirs géologiques, des volcans, des failles, et dans le domaine du génie civil.

La présente invention propose en outre une méthode active de détermination in situ des propriétés de l’ensemble formé par la sphère, le forage rempli de béton et le terrain encaissant. En effet, un capteur de déformation en forage doit permettre de mesure la déformation « idéale » que subirait la croûte terrestre en l’absence de perturbation, comme celle d’un forage dans lequel se trouve l’appareil de mesure. Cela n’est pas possible directement.

Pour accéder à cette information, il faut retrancher à la mesure un terme correctif, qui est un modèle de déformation représentant l’hétérogénéité du sous-sol.

Usuellement, cela est effectué en utilisant un modèle géophysique idéal associé aux marées terrestres. En comparant sur plusieurs jours ce modèle idéal à la mesure, il est possible de déterminer le terme correctif, ce qui soulève de nombreux problèmes liés à l’imprécision du modèle géophysique, influencé par la topographie, les marées océaniques, les fluctuations de pression.

La présente invention propose un procédé de mesure directe et précise de détermination in situ de l’évolution de propriétés mécaniques au niveau du trou de forage par mesure de variation des allongements de chacun des détecteurs uniaxiaux (13) puis comparaison avec l’isotropie, après incrément de pression à l’intérieur de la sphère du dispositif de mesure au moyen du système de mise en pression de ladite sphère. En effet, si la sphère, le béton de remplissage du forage et la roche encaissante formaient un milieu homogène, la dilatation mesurée par les six capteurs uniaxiaux en réponse à la surpression devrait être isotrope. L’écart à l’isotropie est lié aux contrastes de propriétés élastiques entre le remplissage du forage et l’encaissant. À l’aide des six mesures d’allongement, les contrastes peuvent être exactement estimés par un modèle mécanique aux éléments finis. Ce modèle, prenant en compte la géométrie exacte du forage et de la sphère, permet de déterminer les rapports des propriétés élastiques entre le remplissage du forage et l’encaissant. Les contrastes de propriétés étant déterminés, on peut alors remonter de la mesure vraie à la mesure idéale de la déformation en milieu homogène.

De plus, la mesure après incrément de pression permet d’estimer le lent changement des propriétés du béton de remplissage du forage, ce qui est essentiel pour estimer précisément la déformation de la croûte sur de longues périodes de temps, mois ou années.

Figure 7 décrit un procédé de détermination d’une configuration du tétraèdre éclaté. L’étape S1 comporte le renseignement de la variable de longueur L des six barres. L’étape S2 initialise une variable de distance inter-barre Dib à 0 : Dib=0 Une boucle de la variable i, de i=1 à i=N, par exemple N=1000000 débute ensuite Dans cette boucle,

. l’étape S3i réalise un tirage aléatoire de 6 positions sur des cercles de contact (0 à 2pi) : les cercles de contact sont définis comme le lieu de contact entre la sphère et un segment d'orientation fixe. Les points de contact sont définis par exemple en tirant un angle aléatoire (0-2pi) sur les cercles de contact pour chacun des 6 segments.

. l’étape S4i réalise un calcul du minimum des 15 distances entre barres, ce minimum étant stocké dans la variable Dmin

. lors de l’étape S5i, si la variable Dmin est supérieure à la variable Dib, alors la variable Div stocke la valeur de la variable Dmin : Si Dmin>Dib, Dib=Dmin Fin de la boucle

L’étape S6 propose l’écriture de la configuration optimale, ie celle correspondant à la plus grande distance inter barres. La distance entre deux barres est définies comme le minimum de la distance entre deux points des deux barres. Bien sûr, l’invention n’est pas limitée aux exemples qui viennent d’être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l’invention. De plus, les différentes caractéristiques, formes, variantes et modes de réalisation de l’invention peuvent être associés les uns avec les autres selon diverses combinaisons dans la mesure où ils ne sont pas incompatibles ou exclusifs les uns des autres.