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La présente invention concerne des mesures magnétiques dans un trou de
forage et plus particulièrement la détermination de l'aimantation rémanente
fossile des roches.
On sait que l'on peut obtenir une information sur l'aimantation rémanente
5 des roches traversées par un trou de forage en prélevant une multitude
d'échantillons de ces roches en les remontant à la surface et en effectuant en
laboratoire une minutieuse analyse magnétique de ces échantillons. Cette
procédure est longue et coûteuse.
Un objectif de l'invention est de permettre une détermination in situé de
Aimantation rémanente des roches en déplaçant dans un trou de forage une
sonde de mesures magnétiques reliée à une unité de traitement de données
disposée à la surface, afin notamment de localiser les inversions du champ
magnétique terrestre que les roches ont mémorisées et éventuellement de
personnaliser chaque inversion par sa signature propre.
Pour cela, l'invention prévoit un appareil d'exploration magnétique pour
trou de forage, comprenant une sonde de mesures magnétiques, de forme
générale allongée selon un axe, qui contient un moyen de mesure vectorielle du
champ magnétique et qui est, destinée à être déplacée le long du trou de forage
pour enregistrer, de manière continue en fonction de la profondeur, certaines
Jo propriétés magnétiques des roches traversées par le trou de forage, une unité de
traitement de données destinée à être placée en surface au-dessus du trou de
forage et un câble électrique reliant la sonde à l'unité de traitement pour amener
à celle-ci les données acquises par la sonde, dans lequel une partie supérieure de
la sonde contient des organes de conversion de grandeurs électriques et une
partie inférieure de la sonde forme un cryostat maintenu à une température de
supraconductivité et contenant au moins un magnéto mètre cryogénique monté en
gradiomètre, caractérisé en ce que ledit cryostat contient trois magnéto mètres
montés en gradiomètres par rapport à la direction de l'axe de la sonde, en ce que
la sonde contient aussi un moyen de mesure de la susceptibilité magnétique des
roches et
~,~
2 - ~29~
en ce que l'unite de traitement comprend un integrateur pour
effectuer une intégration mathématique des données fournies par
les magnetomètres montes en gradiomètres, un multiplicateur pour
effectuer le produit des données rogues du moyen de mesure vaque
5 - torielle du champ magnétique par la susceptibilité magnétique
mesurée et un soustracteur pour retrancher ce produit du résul-
lai de l'integration fourni par l'integrateur, afin d'obtenir
une information propre à l'aimantation rémanente des roches et
en particulier aux i~vcrsions de cette aimantation,
10 - D'autres particularités ressortiront de la description
d'exemples de réalisation qui vont être donnés, à titre non
limitatif, en se référant au dessin joint dans lequel :
- la Fig. I est une vue d'ensemble schématique de
l'appareil ;
- les Fig. 2 et 3 représentent schem~tiquement la sonde
de cet appareil, dont la Fig. 4 représenté à plus grande échelle
le cryostat ;
- la Fig. 5 représenté un couple de bobines de gradin-
mètre ;
20 - - les Fig. 6, 7, 8, 9 et 10 représentent diverses con-
figurations de ces couples de bobines ;
- la Fig. Il sckematise la matière dont les données sont
collectées par la sonde et transmises à l'unite dû traitement ;
et
25 - - la Fig. 12 schématisé les opérations principales ci-
fectuees dans l'unite de traitement.
Sur la Fig. l, on voit une sonde de mesures magnétiques
l destinée à cire descendue dancing trou de forage et à être de-
placée le long de celui-ci pour effectuer une dia graphie, en
30 - étant reliée par un gable électrique 2 à une unité de traitement
de données 3 disposée en surface.
Les Fig. 2 et 3 montrent de haut en bas l'ensemble des
appareils contenus dans la sonde 1. Dans la partie supérieure
de la sonde, sous la tète 4 de celle-ci, se trouve un comparé
5 - liment 5 contenant une électronique de multiplexage et de transi
mission, La partie inférieure de la sonde forme un cryostat 6
délimite par une double paroi 7 en une résiné synthétique non-
forcée par des fibres, à l'intérieur de laquelle est disposé un
écran thermique 8, comme on le voit sur la Fig. 4 Ce cryostat
10 - est thermique ment isolé à sa partie supérieure par des écrans
thermiques y
Tes trois magnéto mètres montés en gradiomètres ont été
représentés par l'emplacement de leurs bobines de mesure
10, 11, 12 qui captent le graduent, par rapport à l'axe
15 - z de la sonde, de la composante du champ magnétique respective
ment selon l'axe z et selon deux autres axes x et y perpendi-
claires entre eux et à l'axe z et par remplacement 13 des
sondes de mesure dites "SKI" (Superconducting Quantum Inter-
ference Devise) auxquelles ces bobines de mesure sont reliées
20 - par des câbles coaxiaux 14, 15 et 16 respectivement. Un câble
coaxial 17 relie les "SKI' à un compartiment 18 d'électroni-
que d'acquisition en passant à travers les corans thermiques 9.
L'ensemble des bobines de mesure d'induc~ion 10, 11, 12 est
entoure d'un coran métallique 19.
25 - Entre le cryostat 6 et le compartiment 18 d7electroni-
que d'acquisition on a dispose un appareil de mesure du champ
magnétique 20, un appareil de mesure de la susceptibilité ma-
génétique 21 et un inclinomè-tre 22. Ces appareils sont électri-
que ment reliés au compartiment 18 d'electronique d'acquisition.
30 - Le cryostat 6 est baigné par de l'hélium liquide. Du
fait de l'évaporation de l'hélium liquide, on doit assurer le
maintien de la pression dans le cryostat en dessous d'une il-
mite de sécurité On peut à cet effet installer un drain qui
~l%2~q ;60
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relie le cryostat à la surface. Ce drain peut être constitue
par un brin creux prévu dans le câble 2 de liaison entre la
sonde et la surface.
On pourrait aussi installer un circuit fermé capable de
5 - reliquéfier les vapeurs d'hélium.
Dans l'e~cemple représenté, on a prévu l'installation
combinée d'une part d'une chambre 23 de grande contenance dans
laquelle on fait le vide avant de descendre la sonde dans un
trou de forage et qui est reliée au sommet du cryostat 6 par
10 - l'intermédiaire d'un conduit étroit 24 et d'une soupape 25 tance
à 1.050 mars qui sera la pression de fonctionnement dans le
cryostat et d'autre part d'un compresseur miniaturisé blinde
26 et dune chambre 2-7 prévue pour -receff~ r *e hélium venant
de la chambre 23 et comprimé par le compresseur 26
15 - lorsque celui-ci est mis en marche par un appareil de mesure
de pression 28, dès qu'un certain niveau de pression est detec-
te dans la chambre 23. Le compresseur 26 permet l~etablissement
d'une pression d'helium élevée dans la chambre 27 et l'eventuel
rejet de celui-ci à l'exterieur de la solide ] par une soupape
20 - de sécurité 29~ En outre, la chambre 23 est reliée à l'exterieur
par une soupape de sécurité 30. Ces soupapes 29 et 30 sont ego-
liment munies d'un système de purge que l'operateur peut déclin-
cher lors du retour de la sonde à la surface afin de procéder
à une égalisation des pressions interne et externe avant démon-
25 - toge de la sonde.
La chambre 23 peut aussi être seule utilisée si elle
est de contenance suffisante. Inversement, la chambre 27 peut
être seule utilisée, le compresseur 26 retirant alors de lue
ilium gazeux directement du cryostat 6 sans intermédiaire d'une
30 - chambre 23 a vide initial.
Un appareil a rayons gamma 31 a été prévu sous le coma
partirent 5. Les liaisons électriques internes entre d'une part
les magnetometres du cryostat 6, les appareils de mesure 20, 21,
22 et d'autre part le compartiment électronique 18 ainsi qu'en-
35 _ ire ce compartiment 18 et le compartiment 5 et entre l'appareil31 et le compartiment 5 n'ont pas oie représentées pour ne pas
_ 5 _ 1~2~6~
compliquer la compréhension du dessin,
Chacun des magnetomètres montés en gradiomètres comprend
deux bobines 32, 33 identiques mais enroulées en sens inverse
perpendiculaires à la direction de la composante du champ ma-
5 - génétique dont on veut mesurer le graduent et écartées l'une de
l'autre d'une distance d selon l'axe de la sonde, comme le mon-
ire la Fig. 5.
Le champ magnétique B est défini par des vecteurs coma
posant selon les axes x, y, z, dont le module est respective
10 - ment Bu, Bye et y Comme le champ magnétique terrestre présente,
dansées régions sédimentaires non perturbées par l'activite humaine, une
variation très lente avec la profondeur, le gradin du champ
magnétique terrestre selon l'axe z de la sonde est négligeable
e-t les gradiomètres utilisés, du premier ordre ou du deuxième
15 - ordre, éliminent l'effet du champ magnétique terrestre et don-
nient une information due à la seule aimantation des roches : ai-
mantation induite par le champ magnétique terrestre dans les
roches et aimantation rémanente des roches.
Si l'on désigné les gradients y , Zay et y respectivement
- par : Go, Go et Go, le signal Ix de sortie du gradiomètre meus-
rani le graduent de la composante Bu du champ magnétique sera :
Ix D Là tGX x d) Là désignant la surface d'une bobine dans le
plan perpendiculaire à l'axe des x.
En pratique, la réalisation des bobines 32 et 33 ne pers
25 - met pas d'obtenir des surfaces Là et Ill rigoureusement identi-
que, la planète et le parallélisme des deux bobines ne sont
pas parfaits et les fils de jonction 34 créent, maigre les pro-
cautions prises, des surfaces parasites.
Si l'on tient compte des surfaces parasites mû mû, mû
30 - considérées selon les trois axes x, y, æ selon lesquels on dé
compose le veneur champ magnétique, la surface Si d'une bobine
32 et celle Su d'une bobine 33 peuvent s'exprimer de la manié-
ne suivante :
:
- 6 6~0
¦ -L + ml I Là + Max
Sus = m Y
ml mû
Le signal du gratiomètre est alors proportionnel à :
t - t
Ix - (Si SIX) B + (Su - six) G2d
c'est-à-dire :
Max + Max PLI i mû Max _
Ix= mlY mi Bye d m Y - m Y
-mlZ + m2Z Bu m Z m Z Go
expression qui est de la forme :
EUX nxX
x x _ _ + Ll.d.Gx + y G
z z z
(2) y (3)
Le terme y correspond au graduent de champ magnétique
que l'on veut mesurer. Le terme (2) correspond à l'effet du
champ magnétique B sur les surfaces parasites. Le terme (3) cor-
respond a l'effet du graduent de champ magnétique sur les sur-
faces parasites. Il est faible par rapport aux termes (I) et
(2) et peut être négligé.
Les techniques classiques de bobinage permettent de il-
milan les surfaces parasites a environ 10 de la surface utile.
L'adjonction de dispositifs compensateurs tels que des boucles
supra conductrices deus le voisinage de certaines spires permet
de réduire les surfaces parasites résiduelles apparentes a des
valeurs de l'ordre de 10 ou 10 5 de la surface utile.
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La caractérisation du gradiometre consiste à déterminer
expérimentalement les surfaces parasites résiduelles apparentes
en utilisant des champs ou des gradients de champ connus, puis
à introduire les valeurs ainsi déterminées dans le calcul du
5 - terme (~) et éventuellement du terme (3) si on ne néglige pas
ce dernier terme afin de retrancher ces termes correcteurs du
signal obtenu pour avoir la valeur exacte du terme (I) cherché.
Ce calcul est effectué dans l'unite de traitement 3.
Dans la réalisation des bobines des gradiomètres, on
10 - cherche à disposer les centres des gradiomètres à des cotes
aussi voisines que possible et à avoir des distances entre les
deux bobines de chaque gradiomètre aussi similaires que possible,
La Fig. représente une configuration qui est celle
adoptée dans l'exemple de la Figé 4, où les couples de bobines
15 - des trois gradiomètres sont séparés: couple de bobines 35 et
36 pour le graduent Z; couple de bobines 37 et 38 pour le
graduent ~,jHX; couple de bobines 39 et 40 pour le graduent
Y Cette configuration a l'inconvenient de ne pas être semé-
trique et de nécessiter un racolage des données en profondeur
20 - puisque les points de mesure sont décalés, mais on a la même
résolution en z pour chaque graduent et il est relativement aise
de corriger l'effet des surfaces parasites au moyen de spires
supra conductrices telles que 41, 42, 43 du fait que les couples
de bobines sont séparés.
25 - La Fig. 7 montre plus en dotait la configuration du cou-
pie de bobines 37 et 38. On voit que l'on a prévu en un point 44
un croisement des fils reliant les bobines 37 et 38 pour coma
penser l'influence du champ magnétique sur la surface délimitée
par ces fils. Le point 44 est disposé sensiblement au milieu de
30 - la distance entre les bobines 37 et 38, mais la position de ce
point de croisement est réglable pour qu'on puisse l'ajuster et
obtenir la compensation optimale Le câble coaxial 14 passe
dans le plan des bobines 37 et 38 au niveau de celles-ci pour
ne pas affecter la mesure de Six De même, les gables coaxiaux
35 - 14 et 15 passent dans le plan des bobines 39 et 40 au niveau de
~L2V~6~
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celles-ci pour ne pas affecter la mesure de Y.
La Fig. 8 montre une configuration dans laquelle les
trois souples de bobines ont oie centres : couple de bobines
45 et 45 à écartement moyen pour le graduent ; couple de
5 - bobines rapprochées 47 eu 48 pour le graduent ; couple de
bobines éloignées 49 et 50 pour le graduent Y. On a figuré
également des spires de compensation de l'effet des surfaces
parasites : 51, 52, 53. Cette configuration est symétrique, elle
facilite la compensation des surfaces parasites et elle a ses
trois points de mesure confondus. Par contre, les trois gradin-
mètres on une résolution en z différente
La Fig. 9 montre une configuration dans laquelle les
trois couples de bobines ont été décalés successivement l'un
par rapport à l'autre, les deux bobines de chaque couple étant
15 - écartées de la même distance : couple de bobines 54 et 55 pour
le graduent -y Z couple de bobines 56 et 57 pour le graduent
~Hzy ; couple de bobines 58 et 59 pour le graduent ~zx. On a pic-
ce des spires de compensation 60, 61, 62. Dans cette contigu-
ratio, chaque gradiomètre a la même résolution en z et la coma
20 - sensation est facilitée. Mais les points de mesure sont légère-
ment decales-et le système n'est pas symétrique.
La Fig. 10 montre une configuration entrelacée du cou-
pie de bobines 63 et 64 relatif au graduent y , du couple de
bobines 65 et 66 relatif au graduent - et du couple de bobines
25 - 67 et 68 relatif au graduent Zay une bobine (63, 65, 67) de
chaque couple étant montée sur un premier bloc isolant 69 et
l'autre bobine (64, 66, 68) de chaque couple étant montée sur
un deuxième bloc isolant 70. Dans cette configuration, chaque
gradiomètre a la même résolution en z, les points de mesure
30 - soft confondus et le système est symétrique, mais la compensa-
lion de l'effet des surfaces parasites est très délicate à
réaliser physiquement : elle doit pratiquement être effectuée
par calcul ,
- 9
La mesure du champ magnétique est indispensable pour
deux raisons. D'abord il faut calculer le champ magnétique pro-
dut dans le trou de forage par l'aimantation induite dans les
roches par le champ magnétique terrestre et cela impose de con-
5 - naître le vecteur champ magnétique terrestre pour le multiplier
par le teneur des susceptibilités magnétiques, Ensuite, l'in-
terprétation des mesures des gradiomètres n'est possible que si
l'on connaît la position de la sonde par rapport au repère fixe
que constitue la direction du nord magnétique et la verticale.
10 - Le vecteur mesure par l'appareil 20 est le vecteur champ
magnétique dans le trou de forage, mais il peut être considère
comme étant le vecteur champ magnétique terrestre avec une a-
proximation suffisante pour les deux utilisations qui viennent
d'être indiquées.
15 - On peut mesurer ce vecteur champ magnétique par exemple
par l'un des deux procédés suivants Dans un premier procédé,
on mesure trois composantes BU, BYE BU de ce champ par exemple,
par des sondes du type dit "fluxgate" ou à couche mince), la précision ne-
latine obtenue étant de l'ordre de 10 environ. Dans un deux
20 - xieme procède, on déterminé la direction du champ magnétique par
l'orientation prise par une sonde du type "fluxgate" ou a cou-
chu mince, orientation qui est perpendiculaire la direction
recherchée et on en mesure le module par un magnétometre a pro-
cession nucléaire. Si l'on désirait une mesure plus précise,
25 - mais cela n'est ge~eralement pas nécessaire, on pourrait pré-
voir de disposer un magnetometre dans le cryostat 6.
La mesure de la susceptibilité magnétique peut être
effectuée, si l'on considère que les roches sédimentaires ont
une susceptibilité magnétique isotope, par toute méthode glas-
30 - situe de mesure de cette susceptibilité, par exemple par la
méthode des sondes d'induction en utilisant un courant alterna-
tif de fréquence telle que ses effets n'interfèrent pas avec
les autres mesures. On utilise un couple émetteur-récepteur a
espacement convenable pour obtenir une profondeur et une heu-
35 - leur d'investigation comparables à celles des gradiomètres.
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On peut se référer pour cela à la communication de G. CLERC et
B. FRIGNET "Dia graphies de conduc~ivite électrique et suscepti-
milite magnétique avec la sonde à induction Romulus" (Appliqua-
lion en recherches minières - Actes du Fe colloque européen de
5 - dia graphies - Paris, 1981). Dans le cas où l'on ferait une a-
proximation insuffisante en considérant la susceptibilité magné-
tique comme isotope, on pourrait prévoir une mesure des valeurs
Xx~ Zig Xz de la susceptibilité selon les axes X,` Y, Z. Léman
talion J induite dans la roche a alors pour composantes :
JE BX.xx
Je 8 Bye Y
Je z Xz
On a schématisé sur la Fig. 11 comment les différentes
données sont collectées par la sonde 1 et transmises à l'unité
15 - de traitement 3. On y retrouve le compartiment électronique de
multiplexage et de transmission 5 qui reçoit les données captées
par l'appareil à rayons gamma 31, l'inclinomètre 22, les sondes
"SKI" 13, l'appareil de mesure du champ magnétique 20, la
pareil de mesure de l susceptibilité magnétique 21 et aussi un
20 - accelerometre en déplacement axial 71 qui n'a pas oie represen-
te sur les Fi 2 et 3 et qui n'est effectivement pas indispen-
sable. Le câble coaxial 2 permet des échangés de signaux entre
le compartiment 5 de la sonde 1 et une électronique de demulti-
plexage et d'acquisition 72 de l'unite 3 en surface. La sonde 1
25 - reçoit ainsi des commandes de la surface et elle envoie en sur-
face des informations sur les données qu'elle à collectées. Lue-
électronique 72 envoie ces données a une unité de calcul 73 qui
traite ces données selon un programme.
La Figé 12 schématisé les opérations qui doivent être
30 - faites dans l'unite 73. Ces opérations sont essentiellement :
- une multiplication du vecteur champ magnétique B de-
fini par ses coordonnées Bu, Bye Bu, par la susceptibilité
6 Es
magnétique X0 préalablement mémorisée dans une mémoire 74 afin
de pouvoir tenir compte des cotes de mesure tiffe rentes et rame-
nec à la valeur X0 relative a la cote, dite de mesure, qui cor-
respond a la cote de mesure du graduent dBz/dz toutes les autres
5 - mesures étant ramenées à cette même cote de mesure par l'inter-
media ire d'un organe de programmation de mémorisation 75, que
l'on a ici pilote par l'acceleromètre 71, multiplication effet-
tuée dans ut multiplicateur 76 à la sortie duquel on obtient le
vecteur aimantation induite défini par ses composantes :
JE' JE' JE ;
- unie correction des mesures des gradients Go, Gis Go du
champ magnétique dans un appareil 77 dit de "caractérisation nu-
Marius" recevant des informations d'un organe 78 de détermina-
lion de l'orientation de la sonde et tenant compte du terme (2),
15 - précédemment défini, qui correspond à l'effet du champ magneti-
que sur les surfaces parasites des bobines, pour fournir des me-
sures de gradients corrigées GXc, Gyc et GZc ;
- une mémorisation des mesures des gradients Go et Gyc
dans les mémoires 79 et 80 de manière à obtenir des meures
GO et Go ramenées à la cote de mesure, selon le programme de
l'organe 75 dépendant lui-même des distances entre les cotes des
diverses mesures ;
- un filtrage et une intégration des résultats des meus-
nos de gradients dans un integrateur 81 qui reçoit d'un calibra-
25 - leur 82 des données de calibration résultant de mesures effectuées
hors du trou de forage ou dans celui-ci grâce à des étalons in-
ternes de champ ou de gradients et qui donne les composantes Axé
A A du vecteur aimantation A ;
- une soustraction des vecteurs et dans un sous trac-
30 - leur 83 qui donne le vecteur aimantation rémanente naturelle R
par ses composantes Ré, Ri Ré telles que :
R - A JE' Ré - A Je, Ré z z
12 9~6~
- un passage aux coordonnées géographiques dans un con-
sertisseur de coordonnées 84 recevant des informations de l'or-
gène de détermination de l'orientation de la sonde 78 et d'un
organe 85 de mémorisation de la déclinaison magnétique introduite
5 - lors de la calibra ion et fournissant en 86 les composantes du
vecteur aimantation induite et en 87 celles du vecteur aimantation rémanente.
L'organe 78 reçoit les informations de l'inclinomètre 22
et la mesure des composantes BU et Bye du champ magnétique. Dans
le cas d'une formation volcanique ou les roches sont fortement
10 - aimantées, la détermination de l'orientation de la sonde par
rapport au champ magnétique local n'est plus possible avec une
précision satisfaisante. Dans ce cas, il est nécessaire d'utili-
son en plus ou à la place du moyen d'orientation de la sonde par
rapport au champ magnétique un dispositif d'orientation Inde Pen-
15 - dent 88 tel qu'un gyroscope.
On a prévu en outre de mémoriser dans une mémoire 83 les
informations fournies par l'appareil à rayons gamma 31 afin de
les obtenir en 90 ramenées à la cote de mesure.
On a constate au cours d'essais préliminaires que cet
20 - appareil permettait de très bien faire ressortir les inversions
de l'aimantation rémanente des roches, ce qui accroît considéra-
bêlement les possibilités de la magnetostratigrap~ie.
