FR2763701A1

FR2763701A1 - SEISMIC TYPE PROBE WITH A DEVICE FOR DETECTION OF THE COMPONENTS OF THE EARTH MAGNETIC FIELD IN A MARK LINKED TO THE PROBE FOR THE PRECISE DETERMINATION OF ITS GEOPHYSICAL POSITION

Info

Publication number: FR2763701A1
Application number: FR9706426A
Authority: FR
Inventors: Francis Crenner; Pascal Bigarre; Philippe Camus
Original assignee: Institut National de l'Environnement Industriel et des Risques
Current assignee: Institut National de l'Environnement Industriel et des Risques
Priority date: 1997-05-22
Filing date: 1997-05-22
Publication date: 1998-11-27
Anticipated expiration: 2017-05-22
Also published as: CA2288959A1; FR2763701B1; WO1998053345A1; EP0981769A1

Abstract

The invention concerns a seismic probe (70) comprising, integral with its body (71) or mounted detachable thereon, a device sensing (86) the direction and intensity of the earth's magnetic field, for determining the spatial orientation of its seismic cell (81) connected through a two-path amplifying chain to a surface computer unit by a double transmission system with analog channel and frequency modulation channel particular to each path. This invention is useful for manufacturers of seismic probes, users concerned with seismic risks or local fractures and movements above the ground or underground.

Description

La présente invention concerne une sonde de type sismique comportant un détecteur sismique et un détecteur du champ magnétique terrestre reliés à une unité informatique de surface à travers une ligne de transmission de données en vue de la détermination précise par le calcul de la position géophysique de la sonde. The present invention relates to a seismic type probe comprising a seismic detector and a detector of the terrestrial magnetic field connected to a surface computer unit through a data transmission line for the precise determination by calculation of the geophysical position of the probe.

Les sondes sismiques sont destinées à la détection et à la mesure précises des vibrations mécaniques se propageant dans le sol, ainsi qu'à la localisation des événements sismiques ou de la source de vibration. Seismic probes are intended for the precise detection and measurement of mechanical vibrations propagating in the ground, as well as for the location of seismic events or of the source of vibration.

Elles sont classiquement constituées d'un fût généralement cylindrique réalisé en acier inoxydable. They are conventionally made up of a generally cylindrical barrel made of stainless steel.

Ce fût abrite un détecteur sismique à géophones ou à accéléromètres. Ces capteurs sismiques peuvent être au nombre de trois, un pour chacune des directions d'un repère orthogonal de l'espace à trois dimensions dont l'orientation est déterminée par rapport à une direction fixe de référence qui est le nord magnétique terrestre. Les sondes sismiques ainsi constituées sont introduites puis ancrées dans un canal de forage ou sondage réalisé au voisinage de la zone à surveiller.This barrel houses a seismic detector with geophones or accelerometers. These seismic sensors can be three in number, one for each of the directions of an orthogonal coordinate system of three-dimensional space whose orientation is determined with respect to a fixed reference direction which is the magnetic north of the earth. The seismic probes thus formed are introduced and then anchored in a drilling channel or borehole carried out in the vicinity of the area to be monitored.

Ces sondes trouvent de nombreuses applications. Parmi celles-ci, la plus évidente concerne la surveillance de l'activité sismique de zones géographiques particulièrement exposées aux secousses telluriques. Les sondes, disposées en réseaux sismiques couvrant l'étendue de la zone à surveiller, enregistrent en continu les vibrations mécaniques se propageant dans le sol. Une activité sismique anormalement élevée peut permettre d'apprécier le risque de séisme majeur et d'alerter les populations menacées par un tremblement de terre. These probes find many applications. Among these, the most obvious concerns the monitoring of seismic activity in geographic areas particularly exposed to earthquakes. The probes, arranged in seismic networks covering the extent of the area to be monitored, continuously record the mechanical vibrations propagating in the ground. Abnormally high seismic activity can be used to assess the risk of a major earthquake and to alert populations threatened by an earthquake.

D'autres applications des sondes sismiques existent. Ces sondes peuvent notamment être utilisées en détection pour la prévention de risques d'instabilités dynamiques plus localisées telles que les glissements de terrain ou la surveillance de fractures rocheuses ou d'ouvrages souterrains. Cette dernière application trouve tout son intérêt par exemple dans la surveillance de sites de stockage en sous-sol de produits industriels dangereux, en particulier de déchets nucléaires radioactifs ou de gaz naturel. Other applications of seismic probes exist. These probes can in particular be used in detection for the prevention of risks of more localized dynamic instabilities such as landslides or monitoring of rock fractures or underground structures. This latter application is of great interest, for example in monitoring underground storage sites for dangerous industrial products, in particular radioactive nuclear waste or natural gas.

Les sondes sismiques sont également couramment utilisées dans les activités extractives pour surveiller par exemple les galeries d'une mine de charbon, ou des champs d'hydrocarbures profonds. Seismic probes are also commonly used in extractive activities to monitor, for example, the galleries of a coal mine, or deep oil fields.

Enfin, un autre domaine d'application des sondes sismiques concerne la surveillance des mouvements des ancrages d'ouvrages tels que ponts, immeubles, centrales nucléaires ou autres. Finally, another field of application of seismic probes concerns the monitoring of the movements of the anchors of structures such as bridges, buildings, nuclear power plants or others.

Dans toutes les applications de sondes sismiques envisagées l'origine géographique, voire la source des vibrations telluriques détectées par lesdites sondes, doit pouvoir être localisée avec une bonne précision. Celle-ci étant déterminée par le calcul à partir de la position et de l'orientation spatiale des sondes composant le réseau sismique, on comprend aisément que cette précision dépend de la précision avec laquelle est connue la position azimutale des sondes. In all the seismic probe applications envisaged, the geographical origin, or even the source of the telluric vibrations detected by said probes, must be able to be located with good precision. This being determined by calculation from the position and the spatial orientation of the probes composing the seismic network, it is easy to understand that this precision depends on the precision with which the azimuthal position of the probes is known.

Une technique connue pour déterminer l'orientation azimutale du corps d'une sonde consiste à provoquer des vibrations telluriques artificielles sur des lieux géographiques repérés avec précision. Ces vibrations peuvent être engendrées par une masse que l'on fait tomber sur le sol. On peut également procéder à des explosions de surface ou en sous-sol. Connaissant l'origine géographique exacte des vibrations artificielles ainsi produites, on peut estimer par traitement des sismogrammes enregistrés l'orientation spatiale des capteurs sismiques de la sonde. A known technique for determining the azimuthal orientation of the body of a probe consists in causing artificial telluric vibrations on precisely identified geographical places. These vibrations can be generated by a mass that is dropped on the ground. It is also possible to carry out surface or underground explosions. Knowing the exact geographic origin of the artificial vibrations thus produced, we can estimate by processing the recorded seismograms the spatial orientation of the seismic sensors of the probe.

Une autre technique connue pour calculer la position azimutale des capteurs sismiques d'une sonde placée en sondage consiste à déterminer leur orientation par rapport à une direction fixe de référence qui est celle du champ magnétique terrestre. Another known technique for calculating the azimuthal position of the seismic sensors of a probe placed in borehole consists in determining their orientation with respect to a fixed reference direction which is that of the Earth's magnetic field.

A cette fin, différents types de sondes sont connus. To this end, different types of probes are known.

Une première catégorie de sondes comme celles décrites dans les brevets américains publiés sous les nO 4,381,610 et nO 5,302,782 concerne des sondes équipées de boussoles à télédétection lumineuse ou verrouillage de l'aiguille. Dans le premier cas, l'information de détection de la direction magnétique est transmise à la surface par une ligne séparée. Dans le deuxième cas, le corps de la boussole est fixé de façon amovible sur celui de la sonde. Une fois la sonde descendue dans le canal de forage, on laisse l'aiguille de la boussole se stabiliser dans le champ magnétique terrestre. Après stabilisation, l'aiguille est bloquée dans sa position puis la boussole est dissociée du corps de la sonde et remontée à la surface. Connaissant la position relative de la boussole par rapport au corps de la sonde, on peut déterminer l'orientation spatiale des capteurs sismiques de la sonde à partir de la direction indiquée par l'aiguille de la boussole. A first category of probes such as those described in the American patents published under Nos. 4,381,610 and No. 5,302,782 relates to probes equipped with compasses with light remote sensing or needle locking. In the first case, the magnetic direction detection information is transmitted to the surface by a separate line. In the second case, the body of the compass is removably attached to that of the probe. Once the probe is lowered into the drilling channel, the needle of the compass is allowed to stabilize in the Earth's magnetic field. After stabilization, the needle is locked in its position then the compass is dissociated from the body of the probe and brought up to the surface. Knowing the relative position of the compass relative to the body of the probe, we can determine the spatial orientation of the seismic sensors of the probe from the direction indicated by the compass needle.

Cette technique sommaire engendre une précision moyenne. En effet, seule la projection du champ magnétique terrestre selon un axe transversal au corps de la sonde est connue. Pour les deux autres axes du repère orthogonal de l'espace, on effectue une approximation en supposant que le fût de la sonde est vertical. Or, malgré toutes les précautions prises et les mesures en cours de forage, il existe pratiquement toujours une dérive de verticalité du canal de forage, de sorte que la sonde n'est pas rigoureusement verticale, ce qui fausse le calcul de l'orientation spatiale des capteurs sismiques de la sonde. This summary technique generates average precision. Indeed, only the projection of the Earth's magnetic field along an axis transverse to the body of the probe is known. For the other two axes of the orthogonal coordinate system of space, we perform an approximation assuming that the shaft of the probe is vertical. However, despite all the precautions taken and the measurements during drilling, there is almost always a vertical drift of the drilling channel, so that the probe is not strictly vertical, which distorts the calculation of the spatial orientation seismic sensors of the probe.

Un autre système connu concerne les sondes sismiques équipées de magnétomètres à vannes de flux dont la sensibilité magnétique augmente avec la taille des bobines. Un magnétomètre à vanne de flux est décrit dans le brevet américain nO 3,899,834 HARRISON. Pour obtenir une sensibilité qui soit en rapport avec la faible intensité du champ magnétique terrestre à mesurer, on arrive cependant rapidement à des tailles de bobines incompatibles avec les dimensions du corps de la sonde imposées par le diamètre du canal de forage. Par ailleurs, l'électronique associée à ces vannes se révèle fort coûteuse et encombrante. Another known system relates to seismic probes equipped with magnetometers with flow valves whose magnetic sensitivity increases with the size of the coils. A flow valve magnetometer is described in US Patent No. 3,899,834 HARRISON. To obtain a sensitivity which is related to the weak intensity of the terrestrial magnetic field to be measured, however, we quickly arrive at coil sizes incompatible with the dimensions of the body of the probe imposed by the diameter of the drilling channel. Furthermore, the electronics associated with these valves prove to be very expensive and cumbersome.

On connaît enfin des sondes comportant des capteurs directionnels du champ magnétique à effet
Hall. Des exemples de tels capteurs sont décrits dans les brevets US nO 5,241,270 Melvin KRAMER et EP nO 0176633 BRITISH AEROSPACE et n0 0357013 HONEYWELL. Pour repérer le zéro du système, il faut faire varier le champ magnétique de mesure auquel sont soumis les capteurs à effet Hall. Les sondes équipées de tels dispositifs comportent par conséquent des pièces en mouvement, ce qui nuit à leur fiabilité. Il est d'autre part difficile d'obtenir une sensibilité satisfaisante en raison du mauvais rapport signal sur bruit.Finally, there are known probes comprising directional sensors of the magnetic field with effect
Lobby. Examples of such sensors are described in US Pat. Nos. 5,241,270 Melvin KRAMER and EP No. 0176633 BRITISH AEROSPACE and No. 0357013 HONEYWELL. To identify the system zero, the magnetic field of measurement to which the Hall effect sensors are subjected must be varied. The probes equipped with such devices therefore include moving parts, which affects their reliability. On the other hand, it is difficult to obtain satisfactory sensitivity due to the poor signal-to-noise ratio.

Il existait donc un besoin dans la technique pour une sonde sismique comportant des capteurs d'identification et de détection des composantes de la direction du champ magnétique terrestre qui soient peu encombrants, résistant bien aux contraintes mécaniques et thermiques ainsi qu'aux chocs, et à sensibilité compatible avec l'intensité du champ magnétique terrestre à mesurer. There was therefore a need in the art for a seismic probe comprising sensors for identifying and detecting the components of the direction of the earth's magnetic field which are compact, resistant well to mechanical and thermal stresses as well as to shocks, and to sensitivity compatible with the intensity of the Earth's magnetic field to be measured.

La présente invention a pour but de répondre à ce besoin et à d'autres encore en proposant une sonde de type sismique comportant un dispositif de détection des composantes de la direction et de l'intensité du champ magnétique terrestre permettant de déterminer de façon précise l'orientation spatiale des capteurs sismiques de la sonde placée dans le forage d'un sondage à partir d'une direction fixe de référence qui est celle du nord magnétique terrestre. The present invention aims to meet this need and others by proposing a seismic type probe comprising a device for detecting the components of the direction and of the intensity of the earth's magnetic field making it possible to precisely determine the spatial orientation of the seismic sensors of the probe placed in the drilling of a borehole from a fixed reference direction which is that of terrestrial magnetic north.

A cette fin, et conformément à la présente invention, le dispositif d'identification et de détection des composants de la direction du champ magnétique terrestre est du type à cellule magnétorésistive constituée d'au moins deux, et préférentiellement de trois capteurs magnétorésistifs. To this end, and in accordance with the present invention, the device for identifying and detecting the components of the direction of the earth's magnetic field is of the type with a magnetoresistive cell consisting of at least two, and preferably three magnetoresistive sensors.

Chaque capteur magnétorésistif est placé selon l'un des axes d'un repère de l'espace à deux ou trois dimensions dans lequel se projettent les composantes dudit champ magnétique terrestre. Chacun des capteurs magnétorésistifs délivrent en sortie des tensions positives ou négatives représentant la direction et l'intensité des composantes du champ magnétique terrestre selon l'axe du capteur. Il est ainsi possible, à partir de ces mesures, de déterminer la direction et l'intensité du champ magnétique terrestre, et donc de calculer simplement l'orientation spatiale des capteurs sismiques de la sonde et par conséquent la position du corps de la sonde.Each magnetoresistive sensor is placed along one of the axes of a reference frame of the two or three dimensional space in which the components of said terrestrial magnetic field are projected. Each of the magnetoresistive sensors deliver positive or negative voltages at the output representing the direction and the intensity of the components of the terrestrial magnetic field along the axis of the sensor. It is thus possible, from these measurements, to determine the direction and the intensity of the terrestrial magnetic field, and therefore simply to calculate the spatial orientation of the seismic sensors of the probe and consequently the position of the body of the probe.

La présente invention présente de nombreux avantages au rang desquels on peut citer son faible prix de revient et la petite taille de son détecteur de champ magnétique formé de capteurs magnétorésistifs, tout à fait compatible avec les dimensions du corps de la sonde. Le détecteur présente d'autre part une grande sensibilité, liée à un excellent rapport signal sur bruit, ce qui permet une mesure avec grande précision des composantes du champ magnétique terrestre projetées sur les axes du repère lié au détecteur. The present invention has many advantages, including its low cost price and the small size of its magnetic field detector formed of magnetoresistive sensors, fully compatible with the dimensions of the body of the probe. The detector also has a high sensitivity, linked to an excellent signal-to-noise ratio, which makes it possible to measure with great precision the components of the earth's magnetic field projected onto the axes of the reference frame linked to the detector.

Le détecteur magnétorésistif de la sonde de type sismique selon l'invention est totalement statique, ce qui lui confère une bonne résistance aux contraintes mécaniques et aux chocs, et plus généralement une fiabilité à long terme remarquable. Il se montre également peu sensible aux variations de la température ambiante. The magnetoresistive detector of the seismic type probe according to the invention is completely static, which gives it good resistance to mechanical stresses and shocks, and more generally remarkable long-term reliability. It is also not very sensitive to variations in ambient temperature.

Selon une première variante d'exécution de l'invention, le détecteur à cellule de mesure magnétorésistive est monté à l'intérieur du corps de la sonde, préférentiellement à l'extrémité distale de celui-ci, à un endroit le plus éloigné possible des aimants permanents des moteurs électriques d'actionnement des systèmes d'ancrage de la sonde placée en sondage. Grâce à cette disposition particulièrement avantageuse, on écarte la cellule de mesure magnétorésistive du champ des parasites magnétiques et électromagnétiques générés par les aimants des moteurs qui pourraient fausser les calculs de détermination de l'orientation spatiale des capteurs sismiques de la sonde. According to a first alternative embodiment of the invention, the detector with a magnetoresistive measuring cell is mounted inside the body of the probe, preferably at the distal end of the latter, at a location as far as possible from the permanent magnets of electric motors for actuating the anchoring systems of the probe placed in the borehole. Thanks to this particularly advantageous arrangement, the magnetoresistive measurement cell is removed from the field of magnetic and electromagnetic parasites generated by the magnets of the motors which could distort the calculations for determining the spatial orientation of the seismic sensors of the probe.

Selon une seconde variante d'exécution, la sonde conforme à la présente invention comporte, vers son extrémité arrière, une barre d'éloignement à l'extrémité de laquelle est monté de façon dissociable le détecteur magnétorésistif. Cette disposition permet avantageusement de récupérer le détecteur après détermination de l'orientation spatiale des capteurs sismiques de la sonde lorsque le corps de celle-ci est immobilisé en position de sondage par cimentation. According to a second alternative embodiment, the probe according to the present invention comprises, towards its rear end, a distance bar at the end of which the magnetoresistive detector is detachably mounted. This arrangement advantageously makes it possible to recover the detector after determining the spatial orientation of the seismic sensors of the probe when the body of the latter is immobilized in the probing position by cementing.

Le dispositif magnétorésistif d'identification et de détection des composantes de la direction et de l'intensité du champ magnétique terrestre est relié par une ligne de transmission de données à une unité informatique d'acquisition et de traitement des données de surface. The magnetoresistive device for identifying and detecting the components of the direction and intensity of the earth's magnetic field is connected by a data transmission line to a computer unit for acquiring and processing surface data.

Selon une autre caractéristique importante de l'invention, le détecteur sismique à géophones ou à accéléromètres est relié à l'unité informatique d'acquisition et de traitement des données de surface par la ligne de transmission de données à travers une chaîne d'amplification et de modulation à deux voies dont l'une à gain fixe et l'autre à gain variable télécommandé. According to another important characteristic of the invention, the seismic detector with geophones or accelerometers is connected to the computer unit for acquiring and processing surface data by the data transmission line through an amplification chain and two-channel modulation, one with fixed gain and the other with remote-controlled variable gain.

Cette chaîne d'amplification et de modulation se compose de deux lignes pour chacune des voies : une des lignes est un canal de transmission analogique, et l'autre ligne est un canal de transmission par modulation de fréquence. This amplification and modulation chain consists of two lines for each of the channels: one of the lines is an analog transmission channel, and the other line is a frequency modulation transmission channel.

D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront mieux de la description qui suit d'une forme préférée d'exécution de la présente invention donnée à titre d'exemple en référence au dessin accompagnant sur lequel . la figure 1 est une vue générale qui illustre une
variété d'applications de la sonde de type sismique
selon l'invention . la figure 2 représente un groupe de sondes non
motorisées reliées à un coffret de jonction . la figure 3 représente une sonde à ancrage mécanique
intégré reliée à un coffret de jonction la figure 4 est une représentation schématique de la
chaîne d'amplification associée à un capteur
sismique la figure 5 est une représentation schématique du
vecteur champ magnétique terrestre projeté selon les
trois axes d'un repère orthogonal de référence lié au
capteur magnétorésistif selon l'invention ; . la figure 6 est une représentation schématique de la
chaîne de transmission de données associée à un
détecteur à capteurs magnétorésistifs . la figure 7 est une vue en coupe longitudinale d'une
sonde à cellule magnétorésistive de mesure intégrée à
l'extrémité distale du corps de la sonde la figure 8 est une vue en coupe longitudinale d'une
sonde non-motorisée comportant, vers son extrémité
arrière, une barre d'éloignement sur laquelle la
cellule de mesure formée de capteurs magnétorésistifs
est montée de façon dissociable la figure 9 est une représentation schématique d'un
écran d'ordinateur avec vue d'une boussole pour
l'affichage direct de la position de la sonde par
rapport au champ magnétique terrestre la figure 10 est une représentation de la valeur
algébrique des composantes du champ magnétique
terrestre projeté selon les trois axes d'un repère
orthogonal lié aux trois capteurs magnétorésistifs
avec affichage de l'orientation des capteurs
sismiques de la sonde exprimée en degrés.Other characteristics and advantages of the present invention will emerge more clearly from the following description of a preferred embodiment of the present invention given by way of example with reference to the accompanying drawing in which. Figure 1 is a general view which illustrates a
variety of seismic type probe applications
according to the invention. Figure 2 shows a group of probes not
motorized connected to a junction box. FIG. 3 represents a probe with mechanical anchoring
integrated connected to a junction box Figure 4 is a schematic representation of the
amplification chain associated with a sensor
Figure 5 is a schematic representation of the
vector earth magnetic field projected according to
three axes of an orthogonal reference frame linked to the
magnetoresistive sensor according to the invention; . Figure 6 is a schematic representation of the
data transmission chain associated with a
detector with magnetoresistive sensors. Figure 7 is a longitudinal sectional view of a
magnetoresistive measuring cell probe integrated in
the distal end of the body of the probe FIG. 8 is a view in longitudinal section of a
non-motorized probe including, towards its end
rear, a distance bar on which the
measuring cell formed by magnetoresistive sensors
is mounted in a dissociable manner Figure 9 is a schematic representation of a
computer screen with view of a compass for
direct display of the probe position by
relation to the earth's magnetic field figure 10 is a representation of the value
algebraic components of the magnetic field
terrestrial projected along the three axes of a benchmark
orthogonal linked to the three magnetoresistive sensors
with sensor orientation display
of the probe expressed in degrees.

La présente invention procède de l'idée générale inventive qui consiste à réaliser une sonde de type sismique avec un dispositif d'identification et de détection des deux ou trois composantes de la direction et de l'intensité du champ magnétique terrestre, par un détecteur à capteurs magnétorésistifs, en vue de la détermination de la position géophysique précise du corps de la sonde et ceci de manière peu coûteuse, sans pièce en mouvement, de taille adaptée aux dimensions du corps de la sonde, et présentant une sensibilité exceptionnelle à faible bruit en rapport avec l'intensité du champ magnétique terrestre à mesurer. The present invention proceeds from the general inventive idea which consists in producing a seismic type probe with a device for identifying and detecting the two or three components of the direction and intensity of the earth's magnetic field, by a detector at magnetoresistive sensors, for the determination of the precise geophysical position of the body of the probe and this in an inexpensive way, without moving part, of size adapted to the dimensions of the body of the probe, and presenting an exceptional sensitivity to low noise in relationship with the intensity of the Earth's magnetic field to be measured.

La figure 1 est une vue générale qui illustre la grande variété des applications possibles de la sonde du type sismique selon l'invention. Figure 1 is a general view which illustrates the wide variety of possible applications of the seismic type probe according to the invention.

Dans un premier exemple d'application, des sondes telles que 1 conformes à l'invention sont destinées à surveiller une cavité 2 utilisée pour le stockage en sous-sol de produits industriels dangereux, par exemple des déchets nucléaires radioactifs tels que 3. Un coffret de jonction 4 permet de coupler ces différentes sondes 1 sur une même ligne de transfert de données 5 pour une exploitation simultanée en multiplexage. Le coffret de jonction 4 permet également de commander le gain de la chaîne de transmission par laquelle chaque capteur sismique, géophone ou accéléromètre, aboutit au coffret 4. La ligne de transfert de données 5 est reliée via une centrale d'acquisition de données 6 à une unité informatique de surface 7 pour le traitement et l'affichage des données. In a first example of application, probes such as 1 in accordance with the invention are intended to monitor a cavity 2 used for the underground storage of dangerous industrial products, for example radioactive nuclear waste such as 3. A box junction 4 allows these different probes 1 to be coupled on the same data transfer line 5 for simultaneous multiplexing operation. The junction box 4 also makes it possible to control the gain of the transmission chain by which each seismic sensor, geophone or accelerometer, leads to the box 4. The data transfer line 5 is connected via a data acquisition center 6 to a surface computer unit 7 for processing and displaying the data.

Dans un second exemple d'application, une pluralité de sondes telles que 8 sont utilisées pour la surveillance d'une galerie 9 d'une mine d'extraction par exemple de charbon. Comme dans l'exemple précédent, un coffret de jonction 10 permet de coupler les diverses sondes 8 sur une même ligne de transfert de données 11. Les sondes 8 sont reliées via la centrale d'acquisition de données 6 à l'unité informatique de surface 7. In a second application example, a plurality of probes such as 8 are used for monitoring a gallery 9 of an extraction mine, for example coal. As in the previous example, a junction box 10 makes it possible to couple the various probes 8 on the same data transfer line 11. The probes 8 are connected via the data acquisition center 6 to the surface computer unit 7.

On a également représenté sur la figure 1 un canal de forage appelé aussi sondage 12 à l'intérieur duquel a été placée une sonde motorisée 13. Cette sonde 13 comporte un système d'ancrage mécanique 14 intégré pour son immobilisation dans le forage 12. Conformément à la première variante d'exécution de l'invention, un détecteur magnétique avec cellule de capteurs magnétorésistifs a été monté à l'intérieur du corps 15 de la sonde 13, à l'extrémité distale 16 de celle-ci. FIG. 1 also shows a drilling channel also called borehole 12 inside which a motorized probe 13 has been placed. This probe 13 comprises a mechanical anchoring system 14 integrated for its immobilization in the borehole 12. According to in the first variant of the invention, a magnetic detector with a magnetoresistive sensor cell was mounted inside the body 15 of the probe 13, at the distal end 16 of the latter.

On a prévu dans le corps 15 de la sonde 13 un volume d'extrémité dans lequel est logé le détecteur, de façon à l'éloigner au maximum des sources de parasites magnétiques et électromagnétiques que sont les aimants permanents des moteurs d'actionnement de son système d'ancrage mécanique 14. Un coffret de jonction 17 permet de coupler la sonde 13 sur une ligne de transfert de données 18 reliée via la centrale d'acquisition de données 6 à l'unité informatique de surface 7.There is provided in the body 15 of the probe 13 an end volume in which the detector is housed, so as to distance it as far as possible from the sources of magnetic and electromagnetic parasites that are the permanent magnets of the sound actuating motors. mechanical anchoring system 14. A junction box 17 makes it possible to couple the probe 13 on a data transfer line 18 connected via the data acquisition center 6 to the surface computer unit 7.

Dans un dernier exemple, une sonde de type sismique 19 conforme à l'invention a été placée dans un forage ou sondage 20 prise dans un annulaire 21 de ciment. Cet exemple illustre clairement la seconde variante d'exécution de l'invention dans laquelle la sonde 19 comporte, vers son extrémité arrière 22, une barre d'éloignement (non représentée) maintenant le détecteur à distance du corps de la sonde 19. Le détecteur de mesure étant monté de manière dissociable sur la barre d'éloignement, il est possible, après détermination de la position de la sonde 19 à partir de la direction du champ magnétique terrestre, de récupérer le détecteur alors que la sonde 19 reste en fond de sondage 20. Un coffret de jonction 23 permet de coupler la sonde 19 sur une ligne de transfert de données 24 reliée via la centrale d'acquisition de données 6 à l'unité informatique de surface 7. In a last example, a seismic type probe 19 according to the invention was placed in a borehole or borehole 20 taken in a ring 21 of cement. This example clearly illustrates the second variant of the invention in which the probe 19 comprises, towards its rear end 22, a distance bar (not shown) holding the detector at a distance from the body of the probe 19. The detector Since the measurement is detachably mounted on the distance bar, it is possible, after determining the position of the probe 19 from the direction of the terrestrial magnetic field, to recover the detector while the probe 19 remains at the bottom of survey 20. A junction box 23 makes it possible to couple the probe 19 on a data transfer line 24 connected via the data acquisition center 6 to the surface computer unit 7.

L'unité informatique de surface 7 peut transmettre les résultats à distance via un modem 25. The surface computer unit 7 can transmit the results remotely via a modem 25.

La figure 2 représente un groupe de trois sondes non-motorisées telles que 26 reliées à un coffret de jonction 27 recevant sur son panneau de face arrière 28 un câble d'alimentation électrique 29 sous une tension alternative de 24 volts par exemple. On supposera, à titre d'exemple, que les sondes 26 sont des sondes unidirectionnelles, c'est-à-dire comportant chacune un seul capteur sismique. FIG. 2 represents a group of three non-motorized probes such as 26 connected to a junction box 27 receiving on its rear face panel 28 an electric power cable 29 at an alternating voltage of 24 volts for example. It will be assumed, by way of example, that the probes 26 are unidirectional probes, that is to say each comprising a single seismic sensor.

Les sondes 26 sont reliées au panneau de face avant 30 du coffret de jonction 27 par un câble d'alimentation électrique 31 sous une tension continue de 12 volts par exemple. Les signaux de mesure produits par les capteurs sismiques sont acheminés vers le coffret de jonction 27 par un câble de connexion 32. The probes 26 are connected to the front face panel 30 of the junction box 27 by an electrical supply cable 31 at a direct voltage of 12 volts for example. The measurement signals produced by the seismic sensors are routed to the junction box 27 by a connection cable 32.

Ces données sont transférées vers une unité de calcul informatique de surface (non représentée) via une ligne de transfert 33.These data are transferred to a surface computing unit (not shown) via a transfer line 33.

Le coffret de jonction 27 comporte sur l'une de ses faces latérales 34 un panneau de commande 35 présentant entre autres un témoin lumineux 36 d'alimentation alternative sous 24 volts, et un témoin lumineux 37 d'alimentation continue sous 12 volts. Le coffret de jonction 27 renferme au moins les éléments suivants: un convertisseur alternatif/continu ; une carte limiteur de gain programmable ; et deux cartes limiteurs des signaux de mesure. The junction box 27 comprises on one of its lateral faces 34 a control panel 35 having inter alia an indicator light 36 for alternating supply at 24 volts, and an indicator light 37 for continuous supply at 12 volts. The junction box 27 contains at least the following elements: an AC / DC converter; a programmable gain limiting card; and two limit cards for the measurement signals.

On a représenté sur la figure 3 une sonde sismique tridirectionnelle 38, c'est-à-dire comportant une cellule sismique constituée de trois géophones ou accéléromètres placés selon les axes d'un repère orthogonal de référence à trois dimensions. Comme précédemment, le coffret de jonction 39 auquel est reliée la sonde 38 comporte un câble d'alimentation électrique 40 sous 24 volts alternatif, un câble 41 pour l'alimentation électrique de ladite sonde 38 sous 12 volts continu, un câble de connexion 42 pour le retour des signaux de mesure des capteurs sismiques vers ledit coffret de jonction 39, et une ligne de transfert 43 des données vers une unité informatique de surface (non représentée). La sonde tridirectionnelle 38 comporte un système d'ancrage mécanique 44 constitué de deux verrous 45 et 46 croisés à angle droit dont les pistons tels que 47 et 48 permettent par appui sur les parois du sondage 49, l'ancrage de la sonde 38 dans son sondage 49. Un câble 50 supplémentaire est prévu pour la commande des moteurs d'actionnement du système d'ancrage 44 de la sonde 38. FIG. 3 shows a three-way seismic probe 38, that is to say comprising a seismic cell made up of three geophones or accelerometers placed along the axes of a three-dimensional orthogonal reference frame. As before, the junction box 39 to which the probe 38 is connected comprises an electrical power cable 40 at 24 volts alternating, a cable 41 for the electrical supply of said probe 38 at 12 volts direct, a connection cable 42 for the return of the measurement signals from the seismic sensors to said junction box 39, and a data transfer line 43 to a surface computer unit (not shown). The three-way probe 38 includes a mechanical anchoring system 44 consisting of two latches 45 and 46 crossed at right angles, the pistons of which 47 and 48 allow the probe 38 to be anchored in its support by pressing on the walls of the borehole 49 sounding 49. An additional cable 50 is provided for controlling the actuating motors of the anchoring system 44 of the probe 38.

Comme il apparait sur la figure 4, chaque capteur sismique 51, géophone ou accéléromètre, est composé d'une chaîne d'amplification-correction et de modulation des données sous la forme d'une carte de d'amplification 52 à deux voies 53 et 54 aboutissant à un coffret de jonction, lui-même relié à l'unité informatique de surface. As it appears in FIG. 4, each seismic sensor 51, geophone or accelerometer, is composed of an amplification-correction and data modulation chain in the form of an amplification card 52 with two channels 53 and 54 leading to a junction box, itself connected to the surface computer unit.

La première voie 53 comporte un amplificateur 55 à gain fixe de valeur moyenne à faible, tandis que la deuxième voie 54 se compose d'un amplificateur 56 à gain variable télécommandé. The first channel 53 comprises an amplifier 55 with fixed gain of medium to low value, while the second channel 54 consists of an amplifier 56 with remote controlled variable gain.

On règle à distance le gain variable à sa valeur optimale depuis le sol en fonction de l'application et des événements à observer. S'il survient un événement sismique inattendu de forte intensité, la chaîne à gain réglable se trouvera en saturation et seuls les signaux exploitables proviendront de la chaîne à gain fixe dont la valeur est plus faible. The variable gain is adjusted remotely to its optimal value from the ground depending on the application and the events to be observed. If an unexpected high intensity seismic event occurs, the adjustable gain chain will be in saturation and only the usable signals will come from the fixed gain chain whose value is lower.

Chacune des voies 53 et 54 à gain fixe et à gain télécommandé se compose elle-même de deux lignes 57,58 dont l'une 57 est un canal de transmission analogique comportant un amplificateur de tension 59 et l'autre 58 est un canal de transmission par modulation de fréquence au moyen d'un modulateur 60 par exemple commandé en tension. Each of the channels 53 and 54 with fixed gain and with remote control gain itself consists of two lines 57, 58 of which one 57 is an analog transmission channel comprising a voltage amplifier 59 and the other 58 is a transmission by frequency modulation by means of a modulator 60, for example voltage-controlled.

Une modulation de fréquence présentant une fréquence centrale de 20 Khz avec une excursion de fréquence de 5 Khz constituent des valeurs de fonctionnement satisfaisantes. Frequency modulation with a center frequency of 20 Khz with a frequency excursion of 5 Khz constitute satisfactory operating values.

Cette transmission en modulation de fréquence assure une immunité importante au bruit parasite et permet donc des lignes plus longues. This frequency modulation transmission provides significant immunity to parasitic noise and therefore allows longer lines.

La carte d'amplification 52 comprend également une alimentation 61 et un commutateur de gain 62 relié à l'amplificateur 56 à gain variable. The amplification card 52 also includes a power supply 61 and a gain switch 62 connected to the amplifier 56 with variable gain.

Additionnellement, la carte d'amplification 52 peut encore comporter un limiteur de courant 63 lorsque la sonde est destinée à travailler en sécurité intrinsèque dans une atmosphère explosible. Additionally, the amplification card 52 may also include a current limiter 63 when the probe is intended to work intrinsically safe in an explosive atmosphere.

Conformément à l'invention, le dispositif d'identification et de détection de la direction et de l'intensité du champ magnétique terrestre est du type à cellule magnétorésistive constituée d'au moins deux, et préférentiellement de trois capteurs magnétorésistifs tels que 64. According to the invention, the device for identifying and detecting the direction and intensity of the earth's magnetic field is of the type with a magnetoresistive cell consisting of at least two, and preferably three magnetoresistive sensors such as 64.

L'emploi de deux capteurs limite les mesures à un plan seulement. The use of two sensors limits the measurements to one plane only.

Comme il ressort des figures 5 et 6, chaque capteur magnétorésistif 64 est placé selon l'un des axes Ox, Oy, Oz d'un repère de l'espace à trois dimensions dans lequel se projettent les composantes
Hx, Hy, Hz du champ magnétique terrestre He. Les capteurs délivrent en sortie des mesures numériques représentant la direction et l'intensité des composantes Hx, Hy, Hz du champ He de sorte qu'il est possible, à partir de ces mesures, de déterminer la direction du champ magnétique terrestre He, et donc de calculer simplement l'orientation spatiale des capteurs sismiques de la sonde et donc du corps de la sonde.As is apparent from FIGS. 5 and 6, each magnetoresistive sensor 64 is placed along one of the axes Ox, Oy, Oz of a coordinate system of the three-dimensional space in which the components are projected
Hx, Hy, Hz of the Earth's magnetic field He. The sensors output digital measurements representing the direction and the intensity of the components Hx, Hy, Hz of the He field so that it is possible, from these measurements, to determine the direction of the terrestrial magnetic field He, and therefore simply calculate the spatial orientation of the seismic sensors of the probe and therefore of the body of the probe.

Plus précisément, les capteurs magnétorésistifs 64 sont formés chacun d'un pont résistif du type pont de Wheatstone dans une des branches duquel est insérée la résistance magnétosensible qui constitue l'élément variable du pont. La valeur de la résistance ou sa variation, correspondant à l'intensité du champ magnétique terrestre dans l'axe de chaque capteur, est mesurée de façon classique par équilibrage du pont. La valeur de la résistance est transmise à l'unité informatique de surface chargée de réaliser la prise des mesures, de calculer puis d'afficher l'orientation spatiale des capteurs sismiques de la sonde via un amplificateur analogique 65, un convertisseur analogique/numérique 66 et un microprocesseur 67 chargé de la mise en forme des signaux numériques pour leur transmission par une liaison série 68 de type RS422 ou RS485. La chaîne de transmission des données associée aux capteurs magnétorésistifs 64 comprend également un système 69 de compensation des dérives thermiques et de décalage du zéro desdits capteurs 64. More specifically, the magnetoresistive sensors 64 are each formed of a resistive bridge of the Wheatstone bridge type in one of the branches of which is inserted the magnetosensitive resistance which constitutes the variable element of the bridge. The resistance value or its variation, corresponding to the intensity of the earth's magnetic field in the axis of each sensor, is measured in a conventional manner by balancing the bridge. The resistance value is transmitted to the surface computer unit responsible for taking the measurements, calculating and then displaying the spatial orientation of the seismic sensors of the probe via an analog amplifier 65, an analog / digital converter 66 and a microprocessor 67 responsible for shaping the digital signals for their transmission by a serial link 68 of the RS422 or RS485 type. The data transmission chain associated with the magnetoresistive sensors 64 also includes a system 69 for compensating for thermal drifts and for shifting the zero of said sensors 64.

On a représenté sur la figure 7 une sonde 70 de type sismique conforme à l'invention. FIG. 7 shows a probe 70 of seismic type according to the invention.

Cette sonde 70 est classiquement constituée d'un corps 71 généralement cylindrique réalisé en acier inoxydable abritant un système d'ancrage mécanique 72. This probe 70 is conventionally made up of a generally cylindrical body 71 made of stainless steel housing a mechanical anchoring system 72.

Ce système d'ancrage 72 est constitué de deux verrous 73 et 74 croisés à angle droit dont les pistons tels que 75 permettent l'immobilisation de la sonde 70 par appui sur les parois du sondage dans lequel cette dernière est placée. Les pistons 75 des verrous 73,74 sont mobiles en translation entre une position effacée en retrait dans le corps 71 de la sonde 70 et une position sortie d'ancrage de la sonde 70 placée en sondage. Leur déplacement est commandé par l'arbre de sortie fileté 76 d'un moteur électrique 77, arbre fileté 76 auquel les pistons 75 sont couplés par des bielles telles que 78 elles-mêmes reliées à un écrou 79 solidaire de l'arbre fileté 76, de façon à transformer le mouvement de rotation dudit arbre 76 en mouvement de translation des pistons 75. Le moteur électrique 77 est relié à un coffret de jonction (non représenté) par un câble de connexion 80.This anchoring system 72 consists of two latches 73 and 74 crossed at right angles whose pistons such as 75 allow the immobilization of the probe 70 by pressing on the walls of the borehole in which the latter is placed. The pistons 75 of the latches 73,74 are movable in translation between a retracted retracted position in the body 71 of the probe 70 and an exit position for anchoring the probe 70 placed in probing. Their movement is controlled by the threaded output shaft 76 of an electric motor 77, threaded shaft 76 to which the pistons 75 are coupled by connecting rods such as 78 themselves connected to a nut 79 secured to the threaded shaft 76, so as to transform the rotational movement of said shaft 76 into translational movement of the pistons 75. The electric motor 77 is connected to a junction box (not shown) by a connection cable 80.

La sonde 70 représentée sur la figure 7 est une sonde tridirectionnelle, c'est-à-dire comportant une cellule sismique 81 à trois géophones ou accéléromètres tels que 82 placés selon les axes d'un repère orthogonal de référence à trois dimensions. The probe 70 shown in Figure 7 is a three-way probe, that is to say comprising a seismic cell 81 with three geophones or accelerometers such as 82 placed along the axes of a three-dimensional reference orthogonal reference frame.

Chaque géophone ou accéléromètre 82 est relié par une liaison filaire 83 à une carte d'amplification 84, elle-même reliée au coffret de jonction par une liaison filaire 85.Each geophone or accelerometer 82 is connected by a wire link 83 to an amplification card 84, itself connected to the junction box by a wire link 85.

Conformément à la première forme d'exécution de l'invention, un détecteur à cellule de mesure magnétorésistive 86 est placé dans un logement amagnétique 87 situé à l'extrémité distale 88 de la sonde 70, loin des aimants permanents du moteur électrique 77 d'actionnement du système d'ancrage 72, de façon à écarter des champs magnétiques la cellule magnétorésistive 86 et donc des parasites magnétiques et électromagnétiques générés par lesdits aimants qui pourraient fausser les calculs de détermination de l'orientation spatiale de la cellule sismique 81 de la sonde 70. La cellule de mesure magnétorésistive 86 est reliée par une liaison filaire 89 au coffret de jonction. In accordance with the first embodiment of the invention, a magnetoresistive measuring cell detector 86 is placed in a non-magnetic housing 87 located at the distal end 88 of the probe 70, far from the permanent magnets of the electric motor 77 of actuation of the anchoring system 72, so as to separate the magnetoresistive cell 86 from magnetic fields and therefore magnetic and electromagnetic parasites generated by said magnets which could distort the calculations for determining the spatial orientation of the seismic cell 81 of the probe 70. The magnetoresistive measuring cell 86 is connected by a wire link 89 to the junction box.

La sonde 90 représentée sur la figure 8 est une sonde non-motorisée, c'est-à-dire destinée à être habituellement couplée au sondage dans lequel elle est placée par cimentation. Elle est constituée d'un corps 91 en acier inoxydable abritant une cellule sismique 92 à trois géophones ou accéléromètres tels que 93 dont les chaînes de transmission des données comportent chacune une carte d'amplification 94. Pour des raisons de clarté de la figure, les liaisons filaires entre les capteurs sismiques 93 et les cartes d'amplification 94 d'une part, et entre les cartes d'amplification 94 et le coffret de jonction d'autre part, n'ont pas été représentées. The probe 90 shown in Figure 8 is a non-motorized probe, that is to say intended to be usually coupled to the borehole in which it is placed by cementing. It consists of a stainless steel body 91 housing a seismic cell 92 with three geophones or accelerometers such as 93 whose data transmission chains each include an amplification card 94. For reasons of clarity of the figure, the wire connections between the seismic sensors 93 and the amplification cards 94 on the one hand, and between the amplification cards 94 and the junction box on the other hand, have not been shown.

Conformément à la seconde variante d'exécution de l'invention, la sonde 90 comporte une barre d'éloignement 95 sous la forme d'un profilé creux de section carrée ou rectangulaire. Cette barre d'éloignement 95 est reliée mécaniquement au moyen de vis telles que 96 à l'extrémité arrière 97 du corps 91 de la sonde 90. Un détecteur magnétorésistif 98, porté par une platine 99, est monté de façon dissociable sur la barre d'éloignement 95 par l'intermédiaire d'une barre de jumelage 100 immobilisée en coulissement à l'intérieur de la barre d'éloignement 95 par un système élastique de retenue 101 venant s'encliqueter sur une butée 102 transversale à la barre d'éloignement 95. According to the second variant embodiment of the invention, the probe 90 comprises a distance bar 95 in the form of a hollow section of square or rectangular section. This distance bar 95 is mechanically connected by means of screws such as 96 to the rear end 97 of the body 91 of the probe 90. A magnetoresistive detector 98, carried by a plate 99, is detachably mounted on the bar d 95 by means of a twinning bar 100 immobilized by sliding inside the distance bar 95 by an elastic retaining system 101 snapping onto a stop 102 transverse to the distance bar 95.

Cette disposition permet avantageusement de récupérer le détecteur 98 après détermination de l'orientation spatiale des capteurs sismiques 93 lorsque la sonde 90 est couplée au canal de forage dans lequel elle est placée par cimentation.This arrangement advantageously makes it possible to recover the detector 98 after determining the spatial orientation of the seismic sensors 93 when the probe 90 is coupled to the drilling channel in which it is placed by cementing.

L'orientation spatiale des capteurs sismiques d'une sonde conforme à l'invention peut être affichée directement à l'écran 103 d'un ordinateur 104 sous la forme d'une représentation graphique d'une boussole (figure 9). Ces résultats peuvent être également présentés sous forme d'un tableau (figure 10) avec affichage de la valeur des composantes du champ magnétique terrestre projetées dans le repère lié au détecteur magnétorésistif (mG) et affichage de l'orientation de la cellule sismique exprimée en degrés. The spatial orientation of the seismic sensors of a probe according to the invention can be displayed directly on the screen 103 of a computer 104 in the form of a graphic representation of a compass (FIG. 9). These results can also be presented in the form of a table (FIG. 10) with display of the value of the components of the terrestrial magnetic field projected in the coordinate system linked to the magnetoresistive detector (mG) and display of the orientation of the seismic cell expressed in degrees.

Il va de soi que diverses modifications et variantes simples entrent dans le cadre de la présente invention. It goes without saying that various simple modifications and variants are within the scope of the present invention.

Claims

CLAIM8

1. Seismic type probe having a metallic body (71,91) containing a seismic detector (81,92) with geophones or accelerometers (82,93) and a detector of the direction of the earth's magnetic field, characterized in that the detector is a composite detector with several sensors (86,98) for the identification of at least two components of the terrestrial magnetic field (He) in a reference frame for determination by calculation of the orientation of the body of the probe and therefore seismic sensors (82, 93), the sensors of the components of the earth's magnetic field and the seismic detector being connected to a surface computer unit (7) by a data transmission line.

2. Probe according to claim 1, characterized in that the data transmission line comprises a two-channel amplification chain (53,54), one of which (53) with fixed gain and the other (54) with remote controlled variable gain for the seismic detector (81.92).

3. Probe according to claim 1, characterized in that the detector is a three-dimensional composite detector with three sensors (86.98) for the identification of the three components (Hx, Hy, Hz) of the Earth's magnetic field (He) in a orthogonal reference frame (Ox, Oy, Oz) for the determination by calculation of the spatial orientation of seismic sensors (82,93).

4. Probe according to claim 1, or 3 characterized in that the detector (86.98) of the components of the direction of the earth's magnetic field (He) is a cell formed by three magnetoresistive sensors (64) arranged along the axes of a reference frame to determine the components of the Earth's magnetic field (He) along the axes of this frame.

5. Probe according to the preceding claim, characterized in that each magnetoresistive sensor (64) is incorporated in a Wheatstone bridge in order to determine the variation of its resistance or its instantaneous resistance corresponding to the immobilization position of the probe (70, 90).

6. Probe according to any one of claims 2, 4 or 5, characterized in that the data transmission line connecting the seismic detector and each magnetoresistive sensor (64) to the surface computer unit (7) consists of in addition to an analog amplifier (65), an analog / digital converter (66) and a microprocessor (67).

7. Probe according to any one of the preceding claims 3 to 5, characterized in that the detector (86) of the components of the direction of the terrestrial magnetic field (He) is placed in a non-magnetic housing (87) located at the distal end (88) of the probe (70).

8. Probe according to the preceding claim, characterized in that its body (71) houses a mechanical anchoring system (72) allowing the immobilization of the probe (70) by pressing on the walls of the borehole in which it is placed.

9. Probe according to any one of claims 3 to 6, characterized in that the detector (98) of the components of the direction of the earth's magnetic field (He) is detachably mounted on a distance bar (95) connected mechanically to the body (91) of the probe (90).

10. Probe according to the preceding claim, characterized in that it is non-motorized and coupled to the borehole in which it is immobilized by cementing.

11. Probe according to the preceding claim, characterized in that the amplification chain consists of two lines (57,58) for each of the channels (53,54).

12. Probe according to the preceding claim, characterized in that one of the lines (57) is an analog transmission channel, and in that the other of the lines (58) is a transmission channel by frequency modulation.