EP0304434A1

EP0304434A1 - Procede et dispositif pour l'etablissement de la courbe de cohesion d'un sol marin a grande profondeur

Info

Publication number: EP0304434A1
Application number: EP19870904896
Authority: EP
Inventors: Pierre Guevel; Odile Fanton D'andon; Jean-Luc Viaud; François VACHERAND
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA; Principia Recherche Developpement
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA; Principia Recherche Developpement
Priority date: 1987-03-04
Filing date: 1987-07-29
Publication date: 1989-03-01
Also published as: WO1988006739A1; FR2611922B1; FR2611922A1

Abstract

Procédé pour l'établissement de la courbe de cohésion d'un sol marin à grande profondeur, caractérisé en ce qu'il consiste à larguer depuis la surface un engin (1) dont la forme est optimisée de manière à atteindre en parvenant au fond une vitesse de descente suffisamment élevée pour pénétrer alors dans une épaisseur importante du sol, et à doter cet engin de capteurs (modules 3, 4 et 5) transformant les différentes résistances rencontrées par l'engin en traversant le sol en signaux électriques qui sont traités à mesure par des moyens (9) électroniques et informatiques contenus dans l'engin lui-même, de manière à transmettre directement à la surface les informations recherchées sur la nature des couches du sol traversées.

Description

PROCEDE ET DISPOSITIF POUR L'ETABLISSEMENT DE LA COURBE DE COHESION D'UN SOL MARIN A GRANDE PROFONDEUR.

La présente invention concerne un procédé destiné à l'établissement du profil physique des couches des sols, et notamment de la propriété des sols désignée par

"cohésion", ainsi qu'un engin adapté à la mise en oeuvre de ce procédé.

Il est bien connu dans les techniques de reconnaissance des sols, et plus spécialement des sols sous-marins, employées notamment par les entreprises de prospection pétrolières, que les procédés actuellement utilisés, bien que mettant en oeuvre des moyens très élaborés et coûteux, ne sont pratiquement pas applicables aux très grandes profondeurs marines par exemple dans le domaine atteignant 6000m.

En effet ces procédés actuels reposent essentiellement sur la technique du "carottage" consistant à prélever un échantillon cylindrique vertical du sol, d'un diamètre de l'ordre de quelques dizaines de centimètres et de plusieurs mètres de haut, de manière à procéder à l'étude du sol directement sur cet échantillon. Si cette technique est concevable pour des fonds faibles ou moyens, allant de quelques centaines de mètres à 2 ou 3000 mètre-s , elle devient inapplicable quand elle conduit à immerger un matériel lourd à des milliers de mètres de profondeur. Il existe bien des techniques assimilables à celles utilisées pour la prospection électrique, mais elles ne donnent que des informations insuffisantes, quand on recherche à établir la courbe de cohésion d'un sol sur

5 une épaisseur de plusieurs dizaines de mètres à des profondeurs de plusieurs milliers de mètres.

La présente invention permet d'atteindre ce résultat dans des conditions de rapidité et de précision qu'aucune autre technique ne saurait remplir. lu Le procédé selon l'invention, pour l'établissement de la courbe de cohésion d'un sol sous marin notamment mais non exclusivement à grande profondeur, consiste à larguer depuis la surface un engin dont la forme est optimisée de manière à atteindre en parvenant au fond

T5 une vitesse de descente suffisamment élevée pour pénétrer alors dans une épaisseur importante du sol, et à doter cet engin de capteurs transformant les différentes résistances rencontrées par l'engin en traversant le sol en signaux électriques qui sont 0 traités à mesure par des moyens électroniques et informatiques contenus dans l'engin lui-même, de manière à transmettre directement à la surface les informations recherchées sur la nature des couches du sol traversées .

Pour obtenir lesditεs informations de manière

25 complète, le procédé selon l'invention consiste à capter avec le même engin d'une part les efforts résultant de la résistance rencontrée par celui-ci en pénétrant dans le sol et d'autre part les efforts latéraux résultant des frottements entre l'engin et le sol.

L'invention vise également un engin adapté à la mise en oeuvre de ce procédé, cet engin étant caractérisé, en premier lieu, en ce qu'il possède une forme optimisée pour prendre, au cours de sa descente depuis la surface jusqu'au fond, l'accélération maximale, et rencontrer le fond avec la vitesse maximale, de manière à pénétrer le sol à la profondeur maximale, en second lieu en ce qu'il est équipé de capteurs de contraintes mesurant de façon continue les efforts de liaison entre le corps de l'engin et sa pointe et son arrière et les contraintes latérales résultant des frottements de l'engin sur les couches successives du sol, et en troisième lieu en ce qu'il constitue en même temps un container hyperbar dans lequel sont logés un conditionneur des signaux délivrés par les capteurs, un amplificateur de ces signaux et un système de stockage de ces signaux, constitué lui-même d'un micro-ordinateur et d'un convertisseur procédant à 1 ' échantillonage de ces signaux en fonction de leurs fréquences .

Un tel engin est relié à la surface par tout moyen permettant la transmission permanente des signaux ainsi traités, de manière telle que la courbe de cohésion du sol peut être établie instantanément à chaque larguage de l'engin. Un conducteur électrique convient évidemment à cet effet, mais on peut également utiliser d'autres moyens tels que des fibres optiques.

Selon une autre caractéristique de l'invention, chacun desdits capteurs comporte des moyens de guidage par lames élastiques, qui n'introduisent aucune raideur et qui, par ailleurs, sont perforées, ce qui permet le passage de l'eau, de sorte qu'en principe, la pression hydrostatique s 'exerçant sur les deux côtés de ces lames, elle ne risque pas de fausser la mesure.

A cet égard, il convient d'indiquer que chaque capteur est totalement autonome et indépendant au niveau mécanique, ce qui permet de procéder facilement à leur échange et à leur étalonnage individuel en laboratoire.

Selon une autre caractéristique de l'invention, l'engin comporte au surplus un barreau témoin, monté dans ledit engin en un point où la température et la pression sont les mêmes que celles qui sont transmises aux barreaux supports des jauges de contrainte, de manière à compenser la composante hydrostatique et la dérive thermique qui risqueraient de fausser les mesures desdites jauges si elles n'étaient pas prises constamment en compte.

De même que ce barreau témoin, qui assure donc la cohérence des résultats de mesure vis à vis des variations de température et de pression, il est prévu,-.

FEUILLE DE REMPLACEMENT selon l'invention, que l'engin comporte un accéléromètre tridimensionnel, fournissant des informations sur les effets d'inertie et assurant donc également la cohérence des résultats de mesure vis à vis de ces effets d'inertie.

Enfin, l'invention vise une réalisation particulière et originale du capteur pariétal destiné à la mesure des efforts latéraux subits par l'engin et résultant des frottements entre ledit engin et le sol. Selon l'invention, un tel capteur pariétal est caractérisé- en ce qu'il comporte un élément sensible aux frottements latéraux extérieurs, relié à une base solidaire de l'engin par des lames élasiques, et dont les déplacements par rapport à ladite base sont transmis à une jauge de mesure par l'intermédiaire des déformations d'un élément de mesure tel qu'un barreau encastré dans la base fixe à l'une de ses deux extrémités, et positionnant longitudinale ent l'élément sensible mobile par rapport à cette base fixe. L'intérêt de l'invention est multiple. Elle permet d'établir sur une très grande épaisseur les courbes de cohésion des sols situés à des profondeurs considérables, avec un matériel léger et peu coûteux, par comparaison aux matériels de carottage.

Par ailleurs l'opération est très rapide, ne demandant que quelques minutes. A titre d'exemple, un engin selon l'invention met deux minutes pour atteindre un fond de 6000 mètres, puis 1 seconde pour s'enfoncer de 40 mètres. Au surplus les résultats sont instantanés et n'exigent pas une analyse comme c'est le cas pour les carottes .

A titre d'exemple, on va décrire un engin construit conformément à l'invention, en se référant au dessin annexé, sur lequel : La figure 1 est une vue très schématique en coupe axiale de l'engin,

La figure 2 est une coupe axiale de l'avant de 1'engin,

La figure 3 est une coupe axiale de l'appareil monté à l'arrière de l'engin,

La figure 4 est une coupe axiale très schématique d'un capteur pariétal selon l'invention, illustrant le principe de son fonctionnement,

La figure 5 est une vue semblable à la figure 4, illustrant plus en détail la réalisation pratique d'un capteur pariétal,

La figure 6 est une vue de dessus du capteur de la figure 5, et

La figure 7 est une coupe suivant VII-VII de la figure 6.

Comme on le voit tout d'abord sur la .figure 1,

FEUILLE DE REMPLACEMENT l'engin est constitué par une enveloppe ou corps 1 dont le profil d'ensemble est optimisé comme il est décrit dans le brevet français N° 85.09355 de la déposante. C'est grâce à ce profil optimisé que l'engin, largué verticalement depuis une structure de surface, prend très rapidement une très grande vitesse, assurant sa pénétration maximale dans le sol quand il parvient au fond.

Derrière la tête ou cône de pénétration 2, est monté 0 dans l'engin un appareillage ou module 3 de mesure des efforts résultant de la résistance rencontrée par l'engin au cours de sa pénétration dans le sol. Ce module 3 est décrit plus en détail ci-après avec référence à la figure 2. 5 Vers l'arrière de l'engin est monté de même un appa¬ reillage ou module 4 de mesure des efforts de liaison entre l'arrière de l'engin et le corps 1. Ce module 4 est décrit plus en détail ci-après avec référence à la figure 3. '-⁾ Enfin sur la face latérale de l'engin est monté un appareillage ou module 5 de mesure des efforts latéraux résultant des frottements entre l'engin et le sol. Ce module 5 est décrit plus en détail ci-après avec référence aux figures 4 à 7.

Ces trois modules 3,4 et 5 sont reliés par des connexions 6, 7 et 8 à une unité de traitement 9, logée dans le coeur de l'engin, et qui est elle-même reliée par une connexion appropriée 10 à la structure de surface.

Si l'on se réfère plus particulièrement à la figure 2 , on voit que le module 3 se compose d'une cage extérieure 11 dans laquelle sont montés deux diaphragmes élastiques 12 et 13, servant au guidage latéral d'un barreau 14, disposé dans l'axe de l'engin en prenant appui sur le fond de la cage et portant des jauges 14'. Le cône de pénétration 2 transmet les efforts rencontrés par l'engin à ces jauges par l'intermédiaire d'un manchon de montage fileté 15 qui laisse subsister un jeu 16, autorisant le passage de l'eau à l'intérieur de la cage 11. Si l'on se réfère maintenant à la figure 3, on voit que le module arrière 4 se compose également d'une cage 17 dans laquelle sont montées deux lames élastiques 18 et 19 servant au guidage latéral d'un barreau 20, disposé dans l'axe de l'engin portant des jauges 20'. Une platine 21 sert à la fixation du module 4 sur le corps 1, de manière telle que les jauges 20' permettent de mesurer les efforts de liaison entre ce corps 1 et une platine arrière 22 fixée au barreau 20.

Si l'on se réfère maintenant à nouveau à la figure 2, on voit que se trouve représenté un barreau témoin 30 libre à l'une de ses extrémités 30' et soumis à la

FEUILLE DE REMPLACEMENT composante hydrostatique des efforts subis par le capteur, puisque les lames 12 et 13 sont perforées pour permettre le passage de l'eau et porté à la température de l'engin. La connaissance des mesures de la jauge 30 donne donc le moyen de compenser la composante hydrostatique et la dérive thermique qui risqueraient de fausser les mesures si elle n'étaient par prises en compte. La jauge 30 suffit pour le calcul des mesures effectuées par tous. les capteurs de l'engin. Si l'on se réfère maintenant à la figure 4, on voit le principe du capteur pariétal désigné par 5 sur la figure 1 : Dans un évidement 40 de la paroi latérale de l'engin 41 est logée une base 42 sur , laquelle est adaptée une plaque extérieure 43..par l'intermédiaire de deux lames élastiques 44 et 45, et qui est maintenue à distance constante de la base 42 par un barreau 48 travaillant en flexion. L'extrémité interne 48' du barreau 48 est encastrée dans la base 42, tandis que sa tête externe 48" a la forme d'une rotule logée dans un évidement 60 de la plaque 43, de manière à suivre librement les déplacements de cette plaque 43 parallèlement à la direction XX' . Ce barreau 48 porte des jauges de contraintes 46 et 47, disposées de part et. d'autre. La p]aque extérieure 43 peut ainsi se déplacer parallèlement à l'axe de l'engin, par rapport au corps 41 de l'engin, le fonctionnement du dispositif est le suivant : l'engin 41 se déplaçant dans la direction X'X, au sein d'un milieu tel qu'un terrain meuble, les frottements qu'il subit de la part de ce terrain déterminent un freinage, et par suite un déplacement de la plaque 43, dans le sens XX' par rapport à l'engin 41. Ce déplacement se traduit par une déformation de l'élément 48, qui se trouve mesurée par. les jauges 46-47 et cette mesure est prise comme élément d'appréciation desdits frottements , et intégrée avec les autres mesures transmises par les capteurs de tête et de queue de l'engin dans l'étude dudit terrai -

La réalisation pratique d'un tel capteur est illustrée aux vues détaillées aux figures 5-6-7, où les éléments correspondants ont été désignés par les mêmes références numériques, affectées d'un signe "'".

On retrouve ainsi l'élément sensible constitué par la plaque extérieure 43 ' , mobile par rapport à la base 42' fixée dans un logement 40' de l'engin 41', par quatre vis 51, cet élément sensible 43' étant monté sur deux lames élastiques 44' et 45' et relié à la base 42' par l'élément de mesure 48', avec lequel il est rendu solidaire par deux vis réglables 54 et 55.

L'élément de mesure 48' présente la forme d'une plaque 50 fixée sur la base de quatre vis 52, et se prolongeant vers la plaque 43' par une tige 53 sur la partie extrême de laquelle agissent les vis 54-55. Les jauges 49' sont placées sur cette tige. Tout déplacement de la plaque sensible 43' dans les limites du débattement e.' induit par les frottements longitudinaux de l'engin sur le milieu traversé se traduit par une déformation de la tige 48', mesurée par les jauges 49', dont les signaux sont transmis, comme ceux des jauges de tête et de queue, au système 9 d'amplification et de stockage de ces signaux, puis de leur échantillonage, et de leur retransmission par tous moyens appropriés à la structure de surface. Bien entendu le capteur pariétal qui vient d'être décrit fonctionne quel que soit le milieu dans lequel se déplace l'engin 41 (ou 41'), de sorte que l'application de l'invention n'est pas limitée aux pénétro ètres destinés à l'étude des sols marins, mais peut s'étendre à l'étude de tous autres milieux, meubles ou fluides.

Comme il a été indiqué au début, un accéléromètre tridimensionnel 61 est également logé dans l'enceinte étanche de l'engin, en vue de permettre d'effectuer les corrections des mesures nécessitées par l'existence des effets d'inertie.

C'est d'ailleurs précisément dans le cas des applications des engins selon l'invention dans d'autres milieux que les capteurs pariétaux qui viennent d'être décrits prennent toute leur importance. En effet, c'est dans ce cas que les jauges réagissent de manière importante aux effets d'inertie, qui doivent être retranchés, ce qui est possible, puisqu'ils sont connus

FEUILLE DE REMPLACEMENT par l'accélérorαètre, de manière à n'avoir une mesure que des frottements . Or tant que ces frottements sont faibles, ils ont peu d'importance, tandis que dans d'autres milieux, ils peuvent devenir prédominants, ce qui justifie donc la présence des capteurs pariétaux.

ια

Claims

REVENDICATIONS

1. Procédé pour l'établissement de la courbe de cohési d'un sol marin à grande profondeur, caractérisé en ce qu' consiste à larguer depuis la surface un engin dont la for est optimisée de manière à atteindre en parvenant au fo une vitesse de descente suffisamment élevée pour pénétr alors dans une épaisseur importante du sol, et à doter c engin de capteurs transformant les différentes résistanc rencontrées par l'engin en traversant le sol en signa électriques qui sont traités à mesure par des moye électroniques et informatiques contenus dans l'eng lui-même, de manière à transmettre directement à la surfa les informations recherchées sur la nature des couches sol traversées .

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en qu'il consiste à capter avec le même engin d'une part l efforts résultant de la résistance rencontrée par celui- en pénétrant dans le sol et d'autre part les effor latéraux résultant des frottements entre l'engin et le sol.

3. Engin pour la mise en oeuvre du procédé selon l revendications 1 et 2 , caractérisé en ce qu'il possède u forme optimisée pour prendre, au cours de sa descente depui la surface jusqu'au fond, l'accélération maximale, e rencontrer le fond avec la vitesse maximale, de manière pénétrer le sol à la profondeur maximale, et en ce qu'il es équipé de capteurs de contraintes mesurant de façon continu

FEUILLE DE REMPLACEMENT les efforts de liaison entre le corps de l'engin et sa pointe et son arrière et les contraintes latérales résultant des frottements de l'engin sur les couches successives du sol, et en ce qu'il constitue en même temps un container hyperbar dans lequel sont logés un conditionneur des signaux délivrés par les. capteurs, un amplificateur de ces signaux et un système de stockage de ces signaux, constitué lui-même d'un micro-ordinateur et d'un convertisseur procédant à l'échantillonage de ces signaux en fonction de leurs

ÎO fréquences.

4. Engin.selon la revendication 3, caractérisé en ce que chaque capteur consiste en un barreau équipé de jauges de contrainte, et comportant des moyens de guidage parallèle à l'axe de l'engin par des lames élastiques perforées,

T5 n'introduisant aucune raideur et permettant le passage de l'eau de sorte que la même pression hydrostatique s'exerce sur les deux faces de ces lames .

5. Engin selon les revendications 3 et 4, caractérisé en ce qu'il comporte au surplus un barreau témoin présentant 0 une de ses extrémités libre, et équipé .d'une jauge de contrainte, monté en un point dudit engin où la température et la pression sont les mêmes que celles qui sont transmises aux barreaux supports des jauges, de manière à compenser l composante hydrostatique et la dérive thermique éventuelles. 5

6. Engin selon les revendication 3 et 5, caractérisé e ce que,le capteur pariétal, destiné à la mesure des effort latéraux subits par l'engin, consiste en un élément sensibl aux frottements latéraux extérieurs, relié à une ba solidaire de l'engin par des lames élastiques, et dont l déplaceme ts par rapport à ladite base sont transmis à moins une jauge de mesure par l'intermédiaire d déformations d'un élément de mesure tel qu'un barre encastré dans la base fixe à l'une de ses extrémités e positionnant longitudinalement l'élément sensible mobile pa rapport à cette base fixe.

7. Engin selon la revendication 6, caractérisé en ce qu ledit barreau est une tige perpendiculaire à la fac latérale de l'engin, encastré à l'une de ses extrémités dan une base fixe et dont l'autre extrémité est pincée entr deux organes vissés dans une plaque extérieure mobil constituant l'élément mobile.

8. Engin selon l'une quelconque des revendication précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte dans so enceinte étanche un accéléromètre tridimensionnel assuran la cohérence des mesures vis à vis des effets d'inertie.

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