FR2609337A1 - Transducteur electroacoustique a decharges electriques disruptives pour analyse de sondages - Google Patents

Abstract

L'INVENTION CONCERNE UN TRANSDUCTEUR ELECTROACOUSTIQUE. ELLE SE RAPPORTE A UN TRANSDUCTEUR DANS LEQUEL UN ELECTROLYTE FLUIDE 22 EST CONSERVE DANS UNE CHAMBRE ETANCHE 45 DELIMITEE PAR UN MANCHON SOUPLE 20. LA CHAMBRE EST DIVISEE EN DEUX PAR UN ISOLATEUR 12 TRAVERSE PAR UN CANAL 14. LA SECTION DU CANAL VARIE EXPONENTIELLEMENT D'UNE EXTREMITE DE PETIT DIAMETRE A UNE EXTREMITE DE GRAND DIAMETRE 14B. LA CONFIGURATION DU CANAL 14 QUI TRAVERSE L'ISOLATEUR 12 PERMET LE REGLAGE DES CARACTERISTIQUES DES IMPULSIONS SISMIQUES CREEES. APPLICATION A L'ETUDE DES CONFIGURATIONS GEOLOGIQUES DU SOUS-SOL.

Description

La présente invention concerne un transducteur à décharges électriques disruptives, formant une source acoustique destinée à des opérations dans des sondages, ayant un premier mode de réalisation qui forme des ondes omnidirectionnelles uniformes de compression et un autre mode de réalisation exerçant des forces asymétriques dans le plan azimutal autour de l'axe de la chambre de décharge.

On a déjà utilisé des dispositifs à décharges disruptives pour la création de signaux formant des impulsions acoustiques dans des liquides tels que l'eau de mer, au cours de relevés bathymétriques de l'océan et de relevés des sédiments marins, au-dessous du fond de l'océan. Dans ces applications, les électrodes métalliques de décharges disruptives sont directement immergées dans 11 électrolyte constitué par l'eau salée si bien que la décharge répétée avec formation d'un plasma provoque une érosion des électrodes avec modification de leur configuration géométrique et de leur espacement. La décharge disruptive utilisée dans ces eaux libres peut aussi présenter des variations spatiales du fait des paramètres électrolytiques du liquide.

La configuration géométrique et l'espacement des électrodes et les paramètres de l'électrolyte affectent le processus de conversion électroacoustique d'énergie associé à la décharge électrique disruptive et notamment la précision et la stabilité de la synchronisation entre l'impulsion de déclenchement de la décharge et l'impulsion résultante sous forme d'une pression acoustique.

L'utilisation de dispositifs à décharges disruptives à électrodes libres dans les sondages remplis d'eau a aussi été indiquée. Cependant, comme le -fluide présent dans ces sondages est habituellement de l'eau douce qui n'est que très faiblement conductrice, du sel doit être introduit dans les sondages afin que la décharge électrique soit suffisamment efficace. Même lorsqu'une telle préparation du fluide du sondage est réalisée, la décharge disruptive est soumise aux variations des paramètres précités pour les décharges disruptives dans l'eau de mer libre.En outre, bien que des signaux sous forme d'impulsions acoustiques créés par les techniques de décharge disruptive puissent potentiellement constituer un moyen utile et efficace d'étude des matériaux géologiques des sondages, de nombreux forages ne peuvent pas contenir d'eau à cause de la présence de fractures géologiques ou à cause de leur orientation horizontale.

Le brevet des Etats-Unis d'Amérique n"3 428 940 décrit un émetteur acoustique ayant un boîtier qui contient une chambre séparée de l'eau ou d'un autre fluide auquel de l'énergie acoustique doit être transmise. Un métal liquide est temporairement mis sous forme gazeuse au moment de la vaporisation afin qu'une paroi élastique d'un boîtier soit dilatée et qu'une onde acoustique soit créée dans l'eau où le fluide environnant.

L'invention concerne un dispositif à décharges électriques dont les électrodes ne subissent pas d'érosion sous l'action de la décharge formant un plasma, et ayant un électrolyte liquide incorporé dont les paramètres restent invariables après de nombreuses décharges disruptives.

Ces caractéristiques suppriment les principaux inconvénients indiqués précédemment des dispositifs à décharges disruptives entre des électrodes libres. En outre, l'invention permet la création ' de forces asymétriques sur une paroi de sondage si bien que des ondes transversales sont excitées dans le milieu géologique environnant, comme forme prédominante du rayonnement sismique.

L'invention forme une barrière céramique isolante ayant une ouverture de petite section et séparant deux masses d'électrolytes par l'intermédiaire desquelles deux zones d'un liquide sont en contact. La configuration et la forme géométrique particulières de la barrière isolante permettent le réglage de la forme d'onde et du spectre de fréquence de l'impulsion acoustique.

L'arc formant un plasma, obtenu au cours de la décharge, n'est pas au contact d'un matériau qui peut se corroder et en conséquence la configuration géométrique et les dimensions de la zone de décharge qui est déterminée par la barrière céramique, restent constantes. La décharge électrique, due à énergie électrique conservée dans un condensateur à haute tension, forme un arc de température extrêmement élevée qui vaporise rapidement l'électrolyte liquide contenu dans le petit tronçon formé par la perforation de la barrière céramique afin qu'une impulsion de pression créée thermodynamiquement soit formée et permette 11 émission d'un signal sous forme d'une impulsion acoustique.Comme aucun matériau sujet à la corrosion n'est au contact de l'arc, les propriétés de l'électrolyte ne sont pas modifiées ni réduites par contamination, pendant de nombreux cycles de décharges par impulsions.

Lors du fonctionnement, l'application d'une tension suffisamment élevée au filament d'un liquide conducteur formé dans ltouverture, provoque la vaporisation du liquide et la formation d'une petite bulle de vapeur. La bulle de vapeur, présentant une résistance élevée, ne peut pas supporter la tension élevée et crée immédiatement un arc qui forme un trajet très conducteur reliant les deux zones de liquide, et permettant ainsi au courant de la décharge électrique de se maintenir dans l'ouverture. La température élevée de l'arc et l'énergie dissipée dans le filament liquide contenu dans l'ouverture continuent à provoquer une vaporisation de l'électrolyte avec transformation de l'énergie électrique introduite en énergie thermodynamique qui se manifeste en grande partie sous forme d'une bulle sous pression qui se dilate.La surface qui se dilate de cette zone sous pression lance une onde de pression rayonnante formant une onde de choc qui se propage à partir de la décharge électrique localisée. Lorsque le volume de l'électrolyte est contenu dans une chambre acoustiquement transparente, par exemple un tube élastomère, l'onde de pression qui est rayonnée se propage dans la matière qui entoure la chambre contenant l'électrolyte. Une répétition convenable en pratique des impulsions dans cette opération est de 0,5 impulsion par seconde.

Une autre caractéristique originale de l'invention est que la taille et la configuration de l'ouverture remplie de liquide, reliant électriquement les deux masses d'électrolyte, sont telles que la dépendance du processus de décharge électrique en fonction du temps est déterminée.

Lorsque l'ouverture a un faible diamètre et une faible longueur, la décharge est rapide. Au contraire, lorsque l'ouverture a une configuration conique ou de section variant exponentiellement et ayant un sommet de petite dimension au niveau duquel l'arc est déclenché, la décharge est notablement prolongée au cours du temps. Comme le temps nécessaire à la dissipation de l'énergie électrique accumulée dans l'opération de décharge, règle les caractéristiques temporelles de l'onde acoustique de pression qui est émise, la réalisation de l'ouverture selon l'invention permet la conformation de la forme d'onde de l'impulsion de pression afin qu'elle convienne particulièrement bien aux mesures géophysiques, dans des sondages.

L'invention présente aussi des avantages supplémentaires car elle convient à des appareils de forme cylindrique destinés à être utilisés dans des sondages, et elle permet la réalisation d'un dispositif qui peut fonctionner par décharges disruptives dans des sondages qui ne contiennent pas d'eau ni d'autres fluides. La possibilité du confinement de l'opération de décharge disruptive dans un tube élastomère cylindrique permet une adaptation originale du transducteur à la configuration géométrique du sondage et à l'opération considérée. L'arrangement de décharge disruptive sans électrode supprime les variations de configuration géométrique de l'arc et, comme des impuretés ne pénètrent pas dans l'électrolyte fluide contenu, l'invention permet aux paramètres de l'électrolyte de rester inchangés pendant de nombreux cycles de décharge. L'invention concerne en outre un ensemble d'évacuation de gaz qui est sensible à une accumulation de gaz , une telle accumulation réduisant la précision et la reproductibilité dans les dispositifs existants.

L'ensemble d'évacuation de gaz selon l'invention fonctionne par détection de la conductivité entre l'électrode positive et une électrode d'évacuation de gaz. La pression différentielle nécessaire à l'expulsion du gaz qui a pu s'accumuler est obtenue lorsque du fluide hydraulique est pompé dans un espace annulaire délimité entre un boîtier élastique interne et un boîtier élastique externe.

Le boîtier élastique externe se dilate vers l'extérieur, contre la paroi du sondage, et forme ainsi un trajet acoustiquement continu de la chambre de décharges disruptives jusqu'a la paroi du sondage.

L'invention permet la création de forces asymétriques appliquées à une paroi d'un sondage, par utilisation d'une ou plusieurs masses de réaction, de masse volumique élevée, entourant partiellement la chambre de décharge du transducteur. Lorsqu'une masse de masse volumique élevée est placée d'un premier côté de la chambre de décharge disruptive, une surpression est appliquée à la paroi du sondage dans la direction préférée de rayonnement et une pression minimale est appliquée à la paroi du sondage dans la direction de la masse de réaction. Lorsque des forces asymétriques sont ainsi appliquées à la paroi du sondage, le transducteur selon l'invention assure l'excitation de la matière géologique environnante par des ondes transversales ou de cisaillement constituant la forme prédominante du rayonnement sismique.De telles forces asymétriques ont aussi tendance à former des ondes sismiques qui se propagent directionnellement, à la fois sous forme d'ondes de cisaillement et de compression, par rapport à la direction d'asymétrie.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels
la figure 1 est une coupe d'un appareil selon l'invention, à l'état dilaté à l'intérieur d'un sondage;
la figure 2 est une coupe agrandie de l'organe formant une barrière selon l'invention
la figure 3 est un plan détaillé indiquant les dimensions de l'ouverture formée dans l'organe constituant la barrière
la figure 4 est une coupe d'un dispositif selon l'invention, à l'état dilaté à l'intérieur d'un sondage, une masse de réaction, ayant une masse volumique élevée, entourant un côte de la chambre de décharge
la figure 5 est une perspective d'une partie du dispositif de la figure 4, représentant la position de la masse de réaction de masse volumique élevée
la figure 6 est une coupe d'un dispositif selon l'invention, à l'état dilaté dans un sondage, une masse de réaction de masse volumique élevée entourant une partie supérieure de la chambre de décharge, d'un premier côté de cette chambre, et une autre masse de réaction de masse volumique élevée entourant la partie inférieure de la chambre de décharge, de l'autre côté de celle-ci ; et
la figure 7 est une perspective représentant la disposition des masses de réaction de masse volumique élevée, dans une partie de l'appareil représenté sur la figure 6.

Le transducteur 10 à décharges électriques disruptives représenté sur la figure 1 avec une forme cylindrique, comporte un organe 12 formant une barrière céramique qui a une ouverture 14, une électrode positive 16 et une électrode négative 18 placées à distance l'une de l'autre et entourées par un tube 20 de caoutchouc rempli d'un électrolyte 22. Le tube 20 de caoutchouc est fermement fixé à une première extrémité à un isolateur céramique 32 disposé dans la partie supérieure 26 du transducteur 10 alors que l'autre extrémité est fermement fixée à la partie inférieure 28 du boîtier 30 du transducteur. Un manchon dilatable 24 de caoutchouc entoure le tube 20 de caoutchouc qui est lui-même rempli d'électrolyte. Une première extrémité du manchon 24 est fixée à la partie supérieure 26 alors que son autre extrémité est fixée à la partie inférieure 28.

Quatre bandes 25 de support, formées d'acier inoxydable, sont placées dans la partie annulaire 23 séparant le tube 20 de caoutchouc du manchon dilatable 24, et ces bandes donnent une certaine résistance à la traction entre les parties supérieure 26 et inférieure 28 du boîtier 30 du transducteur. Les bandes sont régulièrement réparties, dans chaque quadrant dé l'espace annulaire cylindrique 23. Les bandes 25 ferment aussi le circuit électrique entre l'électrode négative 18, qui est solidaire de la partie inférieure 28, et la masse électrique (boîtier 30 de la sonde). Un capuchon 27 d'extrémité placé au fond est raccordé de façon amovible à la partie inférieure 28 du boîtier 30 du transducteur, par vissage convenable. Le capuchon 27 d'extrémité protège l'extrémité du transducteur pendant son introduction dans le sondage 44 et protège des bouchons 55 et 60 de remplissage et de purge.

L'électrode positive 16 est fixée à l'isolateur céramique 32 qui l'isole électriquement par rapport au boîtier 30 de la sonde. L'électrode positive 16 a un canal 17 destiné à faciliter l'inspection de l'ouverture 14 avec une lunette, sans démontage important de l'ensemble du boîtier 30 du transducteur. En outre, l'inspection de l'ouverture 14 est aussi réalisée par l'intermédiaire d'un canal 61, après enlèvement du capuchon 27 d'extrémité et du bouchon 60.

Une tension élevée est appliquée à l'électrode positive 16 et est transmise par une traversée électrique 34 disposée dans l'isolateur céramique 32. Un canal 36 d'évacuation des gaz qui est utilisé pour chasser les gaz 38 dégagés par l'électrolyte 22 lors de la décharge disruptive, passe aussi à travers l'isolateur céramique 32.

Le canal 3.6 d'évacuation de gaz a un manchon 54 de "Teflon" qui le traverse comme représenté sur la figure 1. Des joints 62 d'étanchéité sont placés entre le manchon 54 et l'isolateur 32 afin qu'ils empêchent la formation d'un film conducteur d'électrolyte à leur interface.

La pression différentielle nécessaire à l'évacuation du gaz 38 est obtenue lorsque du fluide hydraulique est pompé dans l'anneau 23 entre le tube 20 de caoutchouc et le manchon dilatable 24. Le fluide hydraulique 40 dilate le manchon 24 vers l'extérieur, contre la paroi 42 du sondage, et forme un trajet de fluide continu au point de vue acoustique de la chambre 45 de décharge à la paroi 42 du sondage. La pression du fluide hydraulique augmente aussi la pression statique de l'électrolyte 22 au-delà de sa valeur dans le sondage 44. Le gaz 38 qui se rassemble à la partie supérieure 46 de la chambre 45 peut être évacué par des orifices 37 de circulation de gaz formés dans l'électrode 16, par l'intermédiaire du canal 36, du manchon 54, de l'électrode 52, du tube 48 et d'une électrovanne 50 représentée sur la figure 1.Dans une variante, dans laquelle le fluide hydraulique n'est pas mis sous pression, le gaz remonte naturellement à la partie supérieure 46 de la chambre 45 et, lorsqu'une quantité suffisante de gaz s'est accumulée, elle peut être évacuée par les orifices 37 d'évacuation formés dans l'électrode 16, le canal 36, le manchon 54, l'électrode 52, le tube 48 et l'électrovanne 50.

La pression du fluide hydraulique agit dans l'espace annulaire 23, lorsque du fluide hydraulique supplémentaire est pompé par l'intermédiaire du canal 51 vers l'espace annulaire 23. Le système de pompage est placé au-dessus du transducteur 10 et n'est pas représenté sur la figure 1. Le boîtier 30 du transducteur a aussi un canal 53 de remplissage et d'évacuation de fluide hydraulique, avec un bouchon 55 placé dans la partie inférieure 28 afin que le fluide hydraulique puisse être commodément introduit dans l'espace annulaire 23 et retiré de cet espace.

L'organe céramique isolant 12 formant la barrière sépare deux masses d'électrolyte 22a et 22b. Les figures 2 et 3 donnent plus de détails sur l'organe 12 formant la barrière. Cet organe 12 a une ouverture 14 de faible section grâce à laquelle les deux zones de liquide sont en contact. La configuration géométrique de l'ouverture, dans le mode de réalisation préféré, correspond à une forme exponentielle de façon générale, le diamètre de l'ouverture 14A au niveau de la gorge étant d'environ 5,0.10 4 m, et le diamètre de l'ouverture de sortie 14B étant d'environ 1.10 m, La longueur 14C de l'ouverture 14 est d'environ 2,5.102 'n.

La solution d'électrolyte utilisée dans le mode de réalisation préféré est une solution de sulfate de sodium à 17,5 % en poids. On a constaté que la solution de sulfate de sodium ne donnait qu'un faible dégazage après des décharges répétées. D'autres électrolytes qui peuvent être utilisés sont des solutions à 20 % en poids de chlorure de sodium, de chlorure de potassium ou de chlorure d'aluminium.

Lors du fonctionnement, une tension suffisamment élevée (d'environ 10 000 volts) appliquée par l'intermédiaire des masses continues d'électrolyte 22a et 22b au filament de liquide conducteur 15 placé dans l'ouverture 14 provoque une vaporisation du liquide étant donné le chauffage électrique, si bien qu'une petite bulle de vapeur se forme au niveau du plus petit diamètre 14A. La bulle de vapeur de résistance élevée ne peut pas supporter la tension élevée et un arc apparaît immédiatement et forme un trajet très conducteur reliant les deux zones de liquide, si bien que le courant électrique de décharge peut continuer à circuler dans l'ouverture 14.La température élevée de l'arc et la grande quantité d'énergie dissipée dans le filament 15 d'électrolyte placé dans l'ouverture 14 continue à vaporiser l'électrolyte 22, si bien que l'énergie électrique fournie est transformée en énergie thermodynamique qui apparaît en grande partie sous forme d'une bulle sous pression qui se dilate. La surface en expansion de cette zone sous pression lance une onde de choc qui se propage à partir de la décharge électrique localisée. Comme le volume d'électrolyte 22 est contenu dans une chambre 45 transparente au point de vue acoustique, délimitée par le tube interne 20 de caoutchouc, l'onde de pression qui est rayonnée se propage dans la matière (fluide hydraulique 40) qui entoure la chambre 45 d'électrolyte et finalement parvient à la paroi 42 du sondage.Une fréquence commode en pratique pour la répétition de l'opération est de 0,5 impulsion par seconde.

L'organe 12 formant une barrière céramique est fermement fixé de toute manière convenable, par exemple par collage, à la paroi interne 56 du tube cylindrique interne 20 de caoutchouc, entre l'électrode positive 16 et l'électrode négative 18. L'organe céramique 12 formant une barrière est réalisé de manière que le spectre de fréquences de l'impulsion sismique émise corresponde à une propagation sismique à distance relativement grande. En particulier, le boîtier 30 du transducteur doit créer une impulsion de décharge de durée relativement grande pour que le signal sismique ait le spectre voulu de fréquences.

Le canal 14 formant l'ouverture, reliant les deux régions d'électrolyte liquide 22a et 22b, constitue la zone initiale de formation de l'arc pendant la création de l'impulsion sous l'action de la décharge électrique.

Lorsque la décharge pulsée se poursuit au cours du temps, la zone de l'arc s'agrandit par évaporation de l'électrolyte et par dilatation de la zone de l'arc sous l'action de la pression. La résistance électrique du canal de l'ouverture 14 détermine la densité d'énergie créée dans l'électrolyte 15 et 22 et en conséquence la vitesse de vaporisation. La configuration géométrique de l'ouverture non seulement détermine la vitesse de vaporisation mais aussi règle la durée de l'impulsion de pression créée dans le filament 15 d'électrolyte et en conséquence a une influence sur le spectre de fréquences de l'impulsion acoustique émise.

La résistance dè l'ouverture 14 de forme qui s'évase exponentiellement, selon l'invention, est bien supérieure à celle des ouvertures qui s'évasent avec une forme conique, pour des mêmes valeurs des diamètres des orifices de la gorge 14A et de la sortie 14B.

Dans un exemple de mise en oeuvre de l'invention, l'énergie accumulée est de 500 joules et la constante de temps de décharge limite le spectre de fréquences sismiques émises à la gamme de 100 à 1000 Hz correspondant à un facteur 10. L'énergie de crête de l'impulsion électrique de la décharge apparaît environ 160 ms après le début de la décharge et la décharge d'énergie est pratiquement-totale après 425 ms. Sur les 500 joules initiaux d'énergie électrique accumulée, transmis à la décharge disruptive, 85 joules environ sont dissipés par vaporisation de l'électrolyte liquide qui forme une bulle de vapeur dans l'électrolyte liquide au niveau de l'orifice 14A. La vitesse d'expansion de cette bulle est relativement peu sensible à la vitesse de dissipation de l'énergie dans l'électrolyte.Etant donné les facteurs de rendement en courant pendant la charge, lorsque le transducteur fonctionne à une fréquence de répé- tition de 0,5 décharge par seconde, le transducteur nécessite une puissance moyenne de travail dans le sondage d'environ 500 W.

Le dispositif ou transducteur 10 est relativement grand afin qu'il contienne un condensateur permettant l'accumulation de l'énergie nécessaire, et la construction de la sonde est compatible avec la tension relativement élevée qui est nécessaire pour une décharge disruptive efficace (environ 10 000 V). Les dimensions de la chambre 45 de l'électrolyte, selon l'invention, sont d'un diamètre de 50,8 mm et une longueur de 203,2 mm. L'ensemble du transducteur a une longueur de l'ordre de 4,5 à 6 m, afin qu'il contienne le condensateur d'accumulation d'énergie (non représenté) et les autres éléments opérationnels, y compris la pompe et le réservoir de fluide nécessaire au fonctionnement du manchon de dilatation 24 assurant le couplage par un fluide, afin que le fonctionnement du transducteur 10 dans des sondages dépourvus de fluide soit facilité.

La nécessité de l'évacuation du gaz 38 selon 1 'in- vention est déterminée électroniquement par détection de la conductivité entre l'électrode positive 16 et l'électrode 52 d'évacuation des gaz. Comme l'indique la figure 1, le manchon dilatable externe 24 de caoutchouc a été dilaté contre la paroi 42 du sondage par du fluide hydraulique 40 sous pression, et le transducteur 10 a fonctionné suffisamment longtemps pour qu'une petite quantité de gaz 38 se rassemble à la partie supérieure 46 de la chambre 45 contenant l'électrolyte. Ce gaz 38 est représenté pendant son évacuation par l'intermédiaire de l'électrovanne 50, dans le sondage 44.

Au début d'une séquence normale de fonctionnement, l'électrovanne 50 est fermée ; le manchon dilatable externe 24 est à l'état contracté (comme représenté par le trait mixte 43 sur la figure 1), et l'électrolyte 22, lorsque la chambre 45 est remplie, se trouve au niveau de détection formé par l'interface 58 du manchon 54 de "Teflon" et de l'électrode métallique de détection de niveau 52 (électrode d'évacuation de gaz) ou au-dessus de ce niveau. Lorsque l'électrolyte 22 est au contact de l'électrode 52 de détection de niveau, la résistance électrique est faible entre les points A et B. Cette faible résistance est détectée par un circuit électronique de commande (non représenté) qui maintient l'électrovanne 50 à l'état de fermeture.

Pendant la séquence normale de fonctionnement, le manchon dilatable externe 24 est dilaté contre la paroi 42 du sondage par du fluide hydraulique 40 sous pression.

Cette dilatation vers l'extérieur du manchon externe 24 met aussi l'électrolyte 22 sous pression puisque le tube interne 20 de caoutchouc est souple. Le transducteur 10 est commandé par liaison d'une source à haute tension au point A et au boîtier 30 de la sonde. Le résultat est la formation d'un arc électrique et d'une bulle de vapeur au sommet 14A de l'ouverture formée dans la barrière céramique 12.

La partie du gaz résultant 38 qui ne repasse pas en solution dans l'électrolyte 22 s'élève jusqu'à la partie supérieure 46 de la chambre 45 et s'accumule comme représenté sur la figure 1. Après un nombre prédéterminé de décharges disruptives, le circuit électronique de commande vérifie la résistance entre les points A et B. Lorsque l'électrolyte 22 n'est pas au contact de l'électrode 52 de détection de niveau ou d'évacuation de gaz, du fait de la présence du gaz accumulé 38, la résistance est élevée et le circuit de commande ouvre l'électrovanne 50. Le manchon 54 de "Teflon" forme une surface qui ne se mouille pas et qui empêche l'accumulation d'un film conducteur d'électrolyte 22 à la surface interne du canal 36.Comme l'électrolyte 22 et le gaz 38 sont sous pression sous l'action du fluide hydraulique 40, le gaz 38 est rapidement évacué par les trous évents 37, le canal 36, le tube 48 et l'élec- trovanne 50, vers le sondage 44.

Lorsque le gaz 38 a été évacué et lorsque l'électrolyte 22 est à nouveau au contact de l'électrode 52 de détection de niveau ou d'évacuation de gaz, le circuit de commande ferme l'électrovanne 50. La séquence d'évacuation de gaz est alors terminée.

Bien qu'une quantité importante de gaz 38 puisse être évacuée pendant un certain temps, l'électrolyte 22 ne s'épuise pas beaucoup puisque de faibles volumes de liquide se transforment en volumes de gaz relativement grands. Finalement, la paroi du tube interne 20 de caoutchouc peut être légèrement aspirée vers l'intérieur. Cependant, l'addition d'électrolyte 22 à l'aide du bouchon 60 par l'intermédiaire du canal 61, vers la chambre 45, pendant l'opération suivante d'entretien, remet la paroi du tube interne 20 en position normale.

Une longue spire d'un tube 48 de matière plastique ou de nylon" est placé entre l'électrode 52 de détection de niveau et l'électrovanne 50. De cette manière, un trajet ayant une résistance électrique élevée est formé entre l'électrolyte 20 et l'électrovanne 50 qui est directement au contact du boîtier 30 de la sonde. Même lorsque des gouttelettes d'électrolyte 22 s'accumulent dans le tube 48, la résistance reste suffisamment élevée pour que le fonctionnement normal ne soit pas affecté. En pratique, le tube 48 est habituellement rempli de gaz 38 ou des gouttelettes ou de courts tronçons d'électrolyte 22 sont séparés par du gaz 38.

Le transducteur 10 représenté sur la figure 1 peut être utilisé pour la création d'ondes sismiques de compression dans des formations géologiques traversées par des forages. La création des ondes de compression est due à la configuration géométrique à symétrie axiale de la chambre 45 de décharge et au fait que l'impulsion résultante de pression produite par la décharge disruptive émet un signal acoustique pulsé dont le front d'ondes est uniforme et qui est omnidirectionnel dans le plan azimutal, autour de l'axe de la chambre 45 de décharge.

Ainsi, les forces latérales créées par l'impulsion de pression sont uniformes et symétriques autour de l'axe du transducteur 10, et des ondes de compression sont ainsi créées dans le matériau géologique placé autour.

Comme l'indiquent les figures 4 à 7, l'appareil selon l'invention peut être modifié afin qu'il crée des forces asymétriques, par addition d'une ou plusieurs masses de réaction ayant une masse volumique élevée, identifiées par les références 70, 70a et 70b, ces masses entourant partiellement la chambre 45 de décharge. Lorsqu'une masse telle que 70, 70a ou 70b, ayant une masse volumique élevée, est placée d'un côté de la chambre cylindrique 45 de décharge disruptive, le couplage de l'onde de pression de l'impulsion de décharge disruptive au matériau géologique entourant la chambre 45 est réduit dans le secteur azimutal contenant la masse.La masse 70, 70a ou 70b joue le rôle d'une impédance mécanique très élevée qui provoque la réflexion de l'onde de pression parvenant sur la masse en direction opposée à celle-ci si bien qu'une onde de pression plus intense est renvoyée dans le secteur azimutal de la chambre 45 qui n'est pas recoupé par la masse. La masse ajoutée 70, 70a ou 70b peut être consi derée comme une masse de réaction puisque la force de l'impulsion de pression créée dans la chambre 45 de décharge est accentuée à distance de la masse étant donné la réflexion de l'onde de pression. La masse 70, 70a ou 70b est formée d'un matériau dense (d'autant plus avantageux qu'il est dense) tel que le tungstene. Cependant, la masse 70, 70a ou 70b peut aussi être formée de plomb ou d'une céramique.L'épaisseur de la masse 70, 70a ou 70b est d'environ 25 mm, mais elle dépend du matériau utilisé pour la formation de la masse, du diamètre du sondage et de l'intensité de la décharge disruptive.

Un tranduscteur 10a d'application de forces asymétriques est représenté sur les figures 4 et 5 sur lesquelles des références identiques à celles d'éléments décrits précédemment ont été utilisées. La figure 5 représente une partie du dispositif selon l'invention représenté sur la figure 4, un certain nombre des éléments de la figure 4 étant supprimés sur la figure 5 par raison de clarté. Certaines caractéristiques de l'invention sont simplement représentées sous forme générale sur la figure 5 afin que celle-ci soit claire. Dans le mode de réalisation représenté sur les figures 4 et 5, le tube ou manchon 20 de la chambre est entouré sur la moitié environ de sa circonférence par une masse 70 de réaction qui est intimement ajustée. Dans le mode de réalisation des figures 4 et 5, la masse 70 est en contact intime avec le manchon 20 mais n'est pas fixée à celui-ci.L'extrémité supérieure de la masse 70 est raccordée par soudage ou autrement à la partie supérieure 26 du boitier 30. L'extrémité inférieure de la masse 70 est raccordée par soudage ou autrement å la partie inférieure 28 du boîtier 30. La masse 70 donne aussi une bonne résistance 9 la traction entre les parties supérieure 26 et inférieure 28 du boîtier 30 et forme un trajet de mise à la masse entre l'électrode 18 et le boitier 30 si bien que les bandes 25 peuvent être éliminées. Comme représenté aussi sur les figures 4 et 5, les extrémité supérieure et inférieure de la masse 70 ont une forme tronconique convenable. Comme l'indique la figure 4, un manchon dilatable externe 24a de caoutchouc entoure une partie du manchon 20 et est fixé de manière convenable & son extrémité supérieure à la partie supérieure 26 et, à son extrémité infé rieure, à la partie inférieure 28. Le manchon 24a entoure la partie du tube 20 qui n'est pas entourée par la masse 70. De plus, les bords latéraux du manchon 24a sont fixés de manière convenable à la masse 70. La référence 23a désigne l'espace annulaire compris entre le manchon 24a et le tube 20 et la référence 43a désigne la partie en retrait du manchon 24a. Du fluide hydraulique 40 est introduit dans l'anneau 23a par l'intermédiaire du canal 51 de circulation de fluide.

Lorsque la source d'énergie de décharge à haute tension est couplée par un commutateur (non représenté), l'électrolyte liquide 15 de l'ouverture évasée 14 se vaporise, la bulle de vapeur crée un arc électrique, et l'énergie de décharge crée un arc qui se dilate et crée une impulsion de pression transmise par l'intermédiaire du manchon 20 afin que des ondes sismiques ou acoustiques soient lancées dans le matériau environnant. La présence de la masse 70 de réaction provoque une réflexion des ondes de pression et en conséquence ces ondes sont émises essentiellement dans les directions qui ne sont pas recoupées par la masse 70. La direction résultante est représentée sur les figures 4 et 5 par la flèche sombre et correspond au rayonnement émis préférentiellement. La flèche claire des figures 4 et 5 indique la direction d'émission réduite des ondes de pression.

Lorsque l'ensemble transducteur 10a est placé dans un sondage rempli d'un fluide ou est couplé d'une autre manière à une formation géologique traversée par des forages comme représenté sur la figure 4, la force latérale appliquée à la paroi 42 du sondage est asymétrique, une pression positive étant appliquée à la paroi 42 dans la direction d'émission préférentielle comme indiqué par la flèche sombre, alors qu'une pression minimale est appliquée à la paroi 42 du sondage du côté de la masse 70 de réaction comme indiqué par la flèche claire. Cette force d'impulsion, ayant une asymétrie latérale, fait apparaître des contraintes dynamiques de cisaillement dans le matériau géolo gique, ces contraintes étant orientees dans un plan perpendiculaire à l'axe du sondage.Les contraintes dynamiques de cisaillement provoquent l'émission d'ondes transversales polarisées transversalement å l'axe du sondage en direction parallèle à l'axe de sondage ainsi qu'en directions perpendiculaires à la directionId' émission préférée. Ainsi, dans le cas des sondages orientés verticalement, le transducteur 10a appliquant des forces asymétriques lance des ondes de cisaillement dans la formation traversée, ces ondes se propageant vers le haut et vers le bas à partir de l'em- placement de la source ainsi que dans toutes les directions dans un plan perpendiculaire au plan C-C' idiqué sur la figure 5. Les déplacements des particules sous l'action de ces ondes transversales sont parallèles au plan C-C'.

Les figures 6 et 7 représentent un second mode de réalisation de transducteur de type asymétrique, portant la référence générale 10b, des références identiques à celles qui ont été utilisées précédemment désignant des éléments déjà décrits. La figure 7 représente une partie de l'appareil représenté sur la figure 6, un certain nombre des éléments de la figure 6 étant supprimés sur la figure 7 par raison de clarté. Par ailleurs, certaines caractéristiques de l'invention ont aussi été représentées simplement de façon générale sur la figure 7 toujours par raison de clarté. Dans ce mode de réalisation, les tronçons supérieur et inférieur de la chambre 45 de décharge sont masqués sur des côtés diamétralement opposés, par des masses 70a et 70b de réaction respectivement afin qu'un couple soit orienté en direction sensiblement transversale à l'axe cylindrique du transducteur 10b.A chaque décharge disruptive, ce couple provoque une excitation par des ondes asymétriques de pression, de la paroi 42 du sondage avec création d'ondes de cisaillement polarisées transversalement à l'axe du sondage et ayant des mouvements maximaux des particules dans le plan C-C" représenté sur la figure 7.

Les flèches sombres des figures 6 et 7 indiquent les directions d'émission préférentielle des ondes de pression alors que les flèches claires des figures 6 et 7 représentent les directions d'émission réduite d'ondes de pression.

Les ondes de cisaillement créées par le mode de réalisation des figures 6 et 7 ont tendance à se trouver dans la plage des fréquences pour ~ lesquelles le moment du couple de forces est égal à la moitié de la longueur d'onde de cisaillement dans le matériau géologique traversé.

L'excitation de signaux pulsés par la décharge dans la plage de fréquences qui excite les ondes de cisaillement à la fréquence optimale est obtenue par détermination convenable de la constante de temps de la décharge. Il faut aussi noter que le transducteur 10a n'a pas de fréquences préférentielles car il ne donne pas un couple de la même manière que le transducteur 10b. Cependant, les caractéristiques de fréquences du transducteur 10a sont contre lées par la décharge pulsée.

Dans le mode de réalisation des figures 6 et 7, une masse 70a est en contact intime avec l'extrémité supérieure du manchon 20 et entoure la moitié environ de la circonférence de l'extrémité supérieure du manchon 20, sans être fixée à celui-ci. La masse 70b est en contact intime avec l'extrémité inférieure du manchon 20 et entoure environ la moitié de la circonférence de l'extrémité inférieure du manchon 20, sans être fixée à celui-ci. L'extrémité supérieure de la masse 70a est raccordée par soudage ou d'une autre manière à la partie supérieure 26 du boîtier 30. L'extrémité inférieure de la masse 70b est soudée ou fixée d'une autre manière à la partie inférieure 28 du boitier 30.L'extrémité inférieure de la masse 70a et l'extrémité supérieure de la masse 70b sont de préférence soudées l'une à l'autre ou raccordées d'une autre manière, aux deux interfaces 72, de part et d'autre de la chambre 45. La connexion de la masse 70a à la masse 70b donne une bonne résistance à la traction entre les parties supérieure 26 et inférieure 28 du boitier 30, avec formation d'un trajet continu de mise à la masse entre l'électrode 18 et le boîtier 30 si bien que les bornes 25 peuvent être éliminées. Cependant, lorsque les masses 70a et 70b ne sont pas connectées, des bandes convenables de mise à la masse sont nécessaires.

Comme l'indique aussi la figure 6, un manchon dilatable externe 24b de caoutchouc est convenablement fixé, à son extrémité supérieure, sur la partie supérieure 26 et, à son extrémité inférieure, sur l'extrémité supérieure de la masse 70b. Le manchon 24b entoure la partie de l'extrémité supérieure du manchon 20 qui n'est pas entourée par la masse 70a. En outre, les bords latéraux du manchon 24b sont convenablement fixés à la masse 70a. La référence 23b désigne l'espace annulaire compris entre le manchon 24b et le tube ou manchon 20, et la référence 43b désigne la position en retrait du manchon 24b. Un fluide hydraulique 40 est introduit dans l'espace annulaire 23b par l'intermédiaire d'un canal 51. Un manchon externe dilatable 24c est fixe convenablement, à son extrémité supérieure, à l'extrémité inférieure de la masse 70a, et, à son extrémite inférieure, à la partie inferieure 28.Le manchon 24c entoure la partie de l'extrémité inférieure du tube 20 qui n'est pas entourée par la masse 70b. De plus, les bords latéraux du manchon 24c sont convenablement fixés à la masse 70b. La référence 23c désigne l'espace annulaire compris entre le manchon 24c et le tube 20 et la référence 43c représente la position en retrait du manchon 24c. Un canal ou trou 51a de circulation de fluide traverse la partie supérieure 26 et la masse 70a afin qu'un fluide hydraulique 40 puisse être introduit dans l'espace annulaire 23c. Un tube (non représenté) peut aussi être disposé à partir de l'extrémité inférieure du manchon 24b et peut passer dans la masse 70a et/ou 70b et à la partie supérieure du manchon 24c. Le canal 53 et le manchon 55 sont aussi disposés d'une manière . telle qu'ils permettent l'accès à l'espace annulaire 23c afin que le fluide hydraulique 40 puisse être introduit et évacué.

Les ondes de cisaillement émises par les modes de réalisation de transducteurs à décharges ayant une masse de réaction, comme représenté sur les figures 4 -et 5 d'une part et 6 et 7 d'autre part, forment une partie importante de l'énergie acoustique produite par la décharge.

Le spectre de fréquences et la forme d'onde du signal de la source d'ondes de cisaillement sont déterminés par les dimensions physiques de l'ouverture évasée 14 formée dans l'organe céramique .12 formant la barrière isolante. Les quantités totales d'énergie et les autres paramètres de la décharge disruptive, dans le cas des transducteurs 10a et 10b, sont les suivants
Energie primaire : 500 joules (accumulée dans un condensateur)
Condensateur d'accumulation d'énergie = 14 mF
Tension du condensateur = 8500 V
Fréquence de décharge d'énergie = une décharge toutes les 2 secondes
Spectre de fréquences de l'impulsion de pression provoquée par la décharge disruptive = 10 à 2000 Hz.

Les réalisations de transducteurs des figures 45 et 6-7 assurent aussi la création et le lancement de signaux sous forme d'impulsions formées d'ondes de compression dans les formations géologiques traversées. Comme l'impulsion de pression provoquée par la décharge disruptive ne crée par une force uniforme appliquée à la paroi 42 en présence de la masse de réaction 70, 70a ou 70b, l'excitation des ondes de compression n'est pas uniforme en direction radiale autour du sondage. En conséquence, l'onde de compression émise a tendance à présenter au moins un certain degré de caractère directionnel azimutal. Cette directivité est contrôlée par l'ouverture efficace d'émission du transducteur, mesurée en longueurs d'onde de l'onde de compression créée.Cependant, comme le diamètre du sondage constitue cette ouverture efficace et est probablement faible (par exemple 0,1 longueur d'onde environ ou moins), la directivité de l'onde de compression dans le plan radial autour de l'axe du sondage est essentiellement nulle, c'est à-dire que l'onde est omnidirectionnelle. Néanmoins, lorsque des fréquences de travail comprises entre quelques kilohertz et des valeurs plus élevées doivent être utilisées dans les mesures sismiques dans les sondages, une efficacité directionnelle correspondant à un rapport d'amplitude d'émission avant-arrière d'environ 2/1 peut être -obtenueavec la réalisation décrite précédemment et peut être utile et efficace dans de nombreuses applications géophysiques.

La force latérale asymétrique créée par le transducteur 10a ou 10b crée plusieurs effets originaux d'émissions sismiques d'ondes de cisaillement et d'ondes de compression dans les formations géologiques traversées. Il faut noter que, mis à part les modifications ou variations decrites précédemment, les transducteurs 10a et 10b sont réalisés et ont un fonctionnement analogue aux indications données pour le transducteur 10. Il faut aussi noter que, bien qu'il soit préférable que les transducteurs 10, 10a et 10b comportent des manchons 24, 24a et 24b/24c respectivement, l'utilisation d'un appareil à manchon n'est pas nécessaire dans un sondage rempli de fluide. Ainsi, l'invention peut être mise en oeuvre sans les manchons 24, 24a ou 24b/24c, ou sans fluide hydraulique 40 et sans passage associé 51, Slaou 53 de remplissage et d'évacuation. Cependant, lorsque le transducteur 10, 10a ou 10b a un ou plusieurs manchons 24, 24a ou 24b/24c respectivement, le transducteur peut être utilisé dans un sondage rempli de fluide ou non Il faut aussi noter que les transducteurs 10a et 10b ont de préférence un appareil de centrage, par exemple un appareil à ressort à lame afin que l'axe du transducteur reste pratiquement centré dans le sondage. Il faut aussi noter que la masse volumique du matériau utilisé pour la réalisation des masses de réaction 70, 70a et 70b est de préférence au moins égale à 7 g/cm3.

Claims (5)

REVENDICATIONS

1. Appareil générateur d'un impulsion sismique dans un sondage1 par application d'une tension entre une première (16) et une seconde (18) électrode, caractérisé en ce qu'il comprend

au moins un manchon élastique externe (24, 24a, ou 24b et 24c) et un tube élastique interne (20) isolant de l'électricité, fixés chacun à un organe inférieur (28) d'extrémité et en depassant vers un organe supérieur d'ex trémité (26), le tube (20), l'organe inférieur d'extrémité (28) et l'organe supérieur d'extrémité (26) délimitant une chambre (45) destiné à contenir un électrolyte fluide (22), le tube (20) et le manchon (24, 24a, ou 24b et 24c) délimitant une cavité (23, 23a ou 23b et 23c) entre eux pour le logement d'un fluide hydraulique (40), la chambre (45) étant divisée en un volume supérieur et un volume inférieur par un isolateur (12) qui a un canal formant une ouverture (14), si bien que le volume supérieur et le volume inférieur de la chambre (45). communiquent, la première et la seconde électrode (16, 18) pénétrant dans le volume supérieur et dans le volume inférieur respectivement et étant distantes l'une de l'autre, une décharge disruptive étant créée au voisinage du canal (14) formant l'ouverture et dans celui-ci, par application d'une tension entre les électrodes (16, 18), et

un circuit de commande destiné à détecter la conductivité entre la première électrode (16) et une électrode (52) d'évacuation de gaz, avec détection de l'accumulation du gaz dans la chambre (45), le circuit de commande provoquant l'ouverture d'une électrovanne (50) lorsqu'une quantité suffisante de gaz s'est accumulée dans la chambre (45) afin que ce gaz (38) soit évacué de manière intermittente.

2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le canal (14) formant l'ouverture de l'isolateur a une section variable, commençant avec un premier diamètre à une première extrémité du canal formant l'ouverture et augmentant jusqu'à un second diamètre à l'extrémité opposée.

3. Appareil selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une masse de réaction (70 ou 70a et 70b) ayant une masse volumique élevée et entourant partiellement le tube (20).

4. Appareil selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comporte une masse de réaction (70) de masse volumique élevée, disposée de l'organe inférieur d'extrémité (28) à l'organe supérieur d'extrémité (26) d'un côté de la chambre (45).

5. Appareil selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en outre par une première et une seconde masse de réaction (70a, 70b) disposées à partir de l'organe supérieur d'extrémité (26) et de l'organe inférieur d'extrémité (28) respectivement, à des emplacements diamétralement opposés du tube (20).