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Diagraphie Acoustique

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En diagraphie acoustique, un transmetteur situé dans le trou de sondage émet une impulsion d'énergie mécanique qui est enregistrée par un ou plusieurs récepteurs situés à une certaine distance du transmetteur dans le trou de sondage. Dans ce type de diagraphie, l'oscillogramme acoustique complet de chaque impulsion est enregistré numériquement à chaque récepteur. Le caractère du signal acoustique qui est détecté par les récepteurs dépend, entre autres, des propriétés mécaniques de la roche à proximité du trou de sondage.

Il y a plusieurs applications à ce type de diagraphie. En voici quelques-unes :

1. La détermination in situ des vitesses des ondes de compression et de cisaillement. Ces valeurs sont utilisées dans l'interprétation des données sismiques de surface et de tomographie trou-à-trou.


2. On peut combiner les vitesses de compression et de cisaillement avec les données de diagraphie de la densité pour calculer les paramètres élastiques de la formation rocheuse, comme le coefficient de Poisson, le module d'élasticité, le module de compressibilité et le module de cisaillement, qui sont des paramètres importants dans de nombreux problèmes de géotechnique et de mise en valeur minière.


3. La détermination de la porosité dans les roches poreuses à partir de la vitesse de l'onde de compression (Paillet et Cheng, 1991).
4. La mesure de la perméabilité dans les roches poreuses (amplitude et vitesse de l'onde de Stoneley).


5. La détection des fractures ainsi que la mesure de la perméabilité due à des fractures (amplitude de l'onde de Stoneley).


6. Les diagraphies de la vitesse des ondes de compression et de cisaillement peuvent être utiles pour corréler la lithologie d'un sondage à l'autre.
7. Dans la diagraphie d'adhésivité du ciment, on utilise l'amplitude de l'onde de compression pour déterminer la présence de coulis de ciment à l'extérieur du tubage en acier et pour évaluer son adhésivité au tubage et à la roche en place.

La sonde contient un émetteur à sa base, deux récepteurs sont placés au-dessus de l'émetteur.

On génère une onde de compression (P) dans le fluide du trou de sondage au moyen de l'émetteur (Tx). Les ondes P sont caractérisées par des oscillations de pression qui sont parallèles à la direction de la propagation de l'onde. Les liquides ne peuvent transmettre que des ondes P; toutefois, les solides peuvent transmettre à la fois les ondes P et les ondes S (de cisaillement). Les ondes S sont caractérisées par des oscillations perpendiculaires à la direction de propagation de l'onde. Les ondes P générées dans le trou de sondage s'éloignent de l'émetteur dans toutes les directions. Au contact de la paroi du forage, une partie de l'énergie acoustique est réfléchie vers le trou de forage et une partie est réfractée vers la roche. Puisque les solides peuvent transmettre à la fois les ondes P et les ondes S, une certaine quantité de l'énergie acoustique réfractée est transformée en ondes S.

Une partie de l'énergie frappe la paroi à l'angle critique des ondes P (l'angle critique est déterminé par la vitesse des ondes P dans la roche et dans le fluide) et se propage le long de la paroi du trou sous la forme d'une onde P. De la même façon, une partie de l'énergie qui frappe la paroi à l'angle critique pour les ondes S (déterminée par la vitesse des ondes S dans la roche et par la vitesse des ondes P dans le fluide) se propagera sous la forme d'un S le long de la paroi du trou. Comme ces ondes P et S se déplacent le long de la paroi du trou, une partie de l'énergie est retransmise vers le trou de forage aux angles critiques sous forme d'ondes P. Les détecteurs mesurent l'énergie qui est retransmise vers le trou.

Si la vitesse de l'onde de compression est vf dans le fluide du sondage et vp dans la roche et si la sonde est centrée dans le trou, le temps de propagation entre l'émetteur (Tx) et le récepteur le plus proche (Rx₁) sera le suivant :

Le temps de propagation jusqu'au récepteur le plus éloigné (Rx₂) sera :

Le temps de propagation de l'onde dans la roche entre les deux récepteurs sera donc :

Les sondes de diagraphie acoustique utilisant deux récepteurs enregistrent le temps de propagation entre les deux récepteurs, divisé par la distance entre eux (temps d'intervalle) qui est donné en microsecondes par pied.

Dans la diagraphie en trace galvanométrique, on mesure et on enregistre numériquement le signal complet (toute l'onde) à chaque récepteur en plus d'enregistrer le temps d'intervalle. Le signal complet comprend plusieurs modes d'énergie acoustique. Les ondes P et S qui se propagent le long de la paroi du trou sont appelées « ondes coniques ». Leurs vitesses dans la roche sont respectivement vp et vs (< vp). En plus des ondes coniques, d'autres modes d'énergie acoustique apparaissent sur l'oscillogramme à cause de la réflexion vers le trou (celui-ci agissant comme un guide d'ondes) de toute l'énergie acoustique frappant les parois à un angle d'incidence plus élevé que l'angle critique.

Ces modes d'énergie sont appelés modes guidés et comprennent le mode de compression, de cisaillement normal et de Stoneley (ou onde de tube). Les modes guidés sont moins rapides que les ondes P et sont très visibles sur l'oscillogramme. Le caractère de l'oscillogramme est déterminé par le contenu en modes qui dépend de facteurs comme les propriétés mécaniques de la roche entourant le trou; la vitesse de l'onde de compression dans le fluide; la fréquence de la source et le diamètre du trou. Par exemple, dans les « formations tendres » où la vitesse de l'onde S est moins élevée que la vitesse de l'onde P dans le fluide, les modes d'onde conique de cisaillement et de cisaillement normal sont absents.

Étant donné que la vitesse de P est plus élevée que celle de S et des ondes guidées, l'onde P qui traverse la roche arrive la première au récepteur, d'où son nom de « première arrivée ». L'intervalle de temps qui est enregistré par les sondes acoustiques correspond à cette première arrivée. La première arrivée est détectée à chaque récepteur en déterminant à quel moment le signal dépasse un seuil fixé par l'opérateur. Quand on détermine l'intervalle de temps d'arrivée de cette façon, les deux sources d'erreur les plus communes sont le saut de cycle et le bruit. Ces deux types d'erreur forment des pics dans la diagraphie de l'intervalle de temps.

Pour les sauts de cycle, l'onde de première arrivée au récepteur éloigné peut être trop faible pour dépasser le seuil de détection de sorte que le système d'acquisition n'est déclenché que par une arrivée plus tardive. Quand ce phénomène se produit, l'intervalle de temps enregistré sera trop grand étant donné qu'il correspond à l'intervalle entre l'arrivée de l'onde au récepteur le plus éloigné et l'arrivée de l'onde qui a dépassé le seuil de détection.

Le bruit qui est présent au début de l'onde (causé par les vibrations de la sonde au cours de son déplacement le long du trou) peut être assez fort pour dépasser le seuil de détection de l'un des récepteurs (ou des deux). Dans ce cas, le temps de trajet peut être plus long ou plus court que le temps de trajet réel, mais habituellement il correspond à une impulsion sur la diagraphie du temps de trajet. Le bruit est facile à déceler sur l'oscillogramme complet et forme un signal non plat avant l'onde complète.

La diagraphie acoustique nécessite des trous de sondage remplis d'eau afin d'obtenir un bon contact avec la roche. La diagraphie en trace galvanométrique est généralement effectuée dans des trous ouverts (sans tubage); toutefois il est possible de déterminer les vitesses des ondes P et S malgré la présence d'un tubage.

La profondeur de pénétration est d'environ une longueur d'onde, ce qui varie en fonction de la fréquence de la source et de la vitesse des ondes. Les fréquences sources typiques varient de 10 à 30 kHz et les vitesses de compression dans les roches dures varient de 5 à 8 km/s. Pour cette sonde, la profondeur de pénétration dans les roches dures est d'environ 20 cm.

Pour plus d'informations sur la diagraphie en trace galvanométrique, veuillez consulter les références suivantes :

• Paillet et al, 1992
• Paillet et Cheng, 1991
• Astbury et Worthington, 1986a, b
• Willis et Toksöz, 1983
• Paillet et White, 1982