DIAGRAPHIES SISMIQUES EN FORAGE MASTER

DIAGRAPHIES SISMIQUES EN FORAGE
« CROSSHOLE » & « DOWNHOLE »

LA MÉTHODE DE PROSPECTION PAR DIAGRAPHIE SISMIQUE
SERT À MESURER LES MODULES ÉLASTIQUES EN FORAGE

APERÇU THEORIQUE
Rappelons que pour des niveaux de contrainte très faible (0.001 % pour les sols) les matériaux meubles se
comportent comme s'ils étaient élastiques. En conséquence, si l'on soumet les matériaux meubles à uneforce
d'impact, il y aura formation de contraintes dont une partie se propagera radialement autour du point
d'impact sous forme d'ondes élastiques.
L'équation d'onde dépend des différents modules élastiques, en conséquence en mesurant les paramètres
des ondes se propageant dans le matériau (vitesse, phase, dispersion), il est possible par inversion d'obtenir
les modules élastiques connaissant la densité du matériau dans lequel se propagent ces ondes.
Les ondes élastiques se divisent en quatre catégories principales (P, S, Love et Rayleigh) en fonction de
leurs modes de propagation. Les ondes P et S sont principalement mises à profit dans le calcul des
propriétés élastiques des matériaux puisque que leurs vitesses de propagation respectives sont
essentiellement liées aux propriétés élastiques des matériaux dans lesquelles elles se propagent.
L'onde P aussi appelée onde de compression ou onde longitudinale exhibe la vitesse de propagation la
plus grande pour un même milieu. L'onde S aussi nommée onde de cisaillement ou onde transversale est
identifiable du fait qu'elle montre une vitesse de propagation plus lente et aussi parce qu'étant polarisable,
on peut théoriquement l'isoler des autres en générant un signal approprié.

INTERPRETATION DES MESURES
Dans le domaine élastique, le coefficient de Poisson, le module d'élasticité (Young), le module
de rigidité (cisaillement) et le module de masse peuvent être exprimés en fonction de la
vitesse de propagation des ondes P et S ainsi que de la densité au moyen des équations
suivantes / (ρ
ρ est la densité du matériau)

METHODES GENERALEMENT APPLIQUEES
Pour permettre la mesure des modules élastiques, nous avons vu qu'il est nécessaire d'obtenir la vitesse de
propagation des ondes P et S dans le matériau ainsi que la densité de celui-ci. La vitesse de propagation
dans le matériau est obtenue par des techniques de diagraphie sismique alors que la densité peut être
obtenue par des techniques de diagraphie du rayonnement γγ.
Plusieurs méthodes de diagraphie sismique ont été développées. Au nombre de ces techniques
mentionnons:
la technique du trou à trou (Crosshole), la technique surface-trou (Downhole), la technique trou-surface
(Uphole), la technique SCPT (Seismic cone penetration test) qui est une variante de la technique surface-trou
et la technique SASW (Spectral analysis of surface waves) qui est une version sophistiquée de la technique
SSV (Standing wave vibration).

La méthode préférée est la méthode trou à trou (Crosshole) mais, nous le verrons plus loin, cette
méthode est plus onéreuse. En conséquence la méthode la plus fréquemment utilisée est la méthode
surface-trou (Downhole).

DIAGRAPHIE SISMIQUE TROU A TROU
« CROSSHOLE »

Selon le protocole de mesures ASTM D-4428 M-84, une source d'énergie est insérée dans un forage à une
profondeur donnée pour générer à un instant précis (T0), des ondes élastiques qui se propagent dans le
matériau.
Deux capteurs triaxiaux localisés à la même profondeur que la source dans deux forages adjacents et
colinéaires espacés d'environ 5 m sont utilisés pour capter les ondes élastiques générées par la source. Le
signal perçu par chacun des trois géophones de chacun des deux capteurs est transformé en une onde
électrique laquelle est enregistrée au moyen d'un sismographe numérique à plusieurs canaux. Par la suite,
l'enregistrement sismique est analysé pour obtenir le temps de parcours entre les deux capteurs pour
chacun des deux
types d'onde.
Le choix de l'équipement, en particulier de la source et des capteurs, permet de privilégier la propagation
d'ondes S ou d'ondes P ce qui rend plus facile leur identification respective. La conception de cet
équipement permet, pour la durée de l'essai, d'arrimer fermement source et capteurs à la paroi du forage au
moyen d'un manchon de caoutchouc gonflé à l'azote.
ASTM : Association of Standard and Testing Materials

Lorsque l'équipement est fermement arrimé à la paroi de chacun des trous et à la même élévation, un choc
est produit lorsque la partie mobile du marteau frappe la partie qui est arrimée à la paroi du tubage de
plastique lequel a été cimenté en place conformément aux exigences de la norme ASTM afin de permettre
un couplage optimal entre les matériaux et l'équipement.
Lors de l'impact, un signal électrique est transmis à la surface pour déclencher l'enregistrement et les ondes
sismiques P et S se propagent dans le matériau. Ces ondes sont d'abord captées par le géophone triaxial
situé dans le trou adjacent au trou qui a servi à produire l'impact et retransmises à la chaîne
d'enregistrement de surface sous forme d'une onde électrique.
Les ondes P et S continuent à se propager et sont ensuite captées par le deuxième géophone triaxial situé
dans le trou le plus éloigné du trou d'impact et retransmises à la chaîne d'enregistrement.

Suite à l'essai, on obtient un enregistrement qui montre la forme des ondes perçues par chacun des 6
géophones.
L'enregistrement est alors stocké sur mémoire magnétique pour traitement futur. En déplaçant source et
capteurs selon une séquence régulière, on obtient finalement une série de mesures discrètes pour la
longueur totale des trous.

Avantages et inconvénients du CrossHole
La technique du trou à trou explicité auparavant comporte de multiples avantages puisque les
erreurs instrumentales sont réduites au minimum et qu'il est en général facile de bien distinguer
entre l'onde P et l'onde S. De plus, l'énergie requise est facile à contrôler et rarement insuffisante
étant donnée la faible
distance entre la source et les capteurs.
L'inconvénient majeur de cette technique est d'ordre économique puisque trois forages sont requis
pour procéder à l'essai. Du point de vue technique, il est nécessaire de connaître avec une grande
précision la distance entre les capteurs puisque la distance entre capteurs est faible et que l'erreur
sur la vitesse est directement proportionnelle à l'erreur sur la distance.

DIAGRAPHIE SISMIQUE SURFACE-TROU
« DOWNHOLE »
La méthode « downhole » consiste à mesurer les vitesses des ondes de compression (VP) et des ondes de
cisaillement (VS) d'une entité géologique entre la surface du sol et la position du capteur dans le sondage.
Cette technique permet aussi la détermination des caractéristiques géodynamiques du terrain, lesquelles
sont destinées le plus souvent à l'analyse dynamique des sols et procéder à la classification du site.

L'essai « downhole » est réalisé dans le trou de sondage carotté préalablement tubé en P.V.C de diamètre
intérieur est de 80mm et cimenté pour assurer un bon couplage sol-tubage. L'émission du signal a eu lieu à
la surface à proximité du trou de sondage, et la réception se fait à l'aide d'un capteur à trois composantes
(une verticale et deux horizontales) contenus dans un packer, équipé avec un système mécanique qui
permet le blocage de l'outil en différente profondeurs dans le trou de sondage.
A partir des temps des arrivées des ondes primaires et des ondes secondaires (Sx et Sy) correspondant à
différentes profondeurs, un tracé des dromochroniques, dont les pentes sont égales aux vitesses de
propagation ? VP et ? VS. Ces vitesses sont liées aux paramètres de la loi de comportement du milieu.

OBJECTIFS PRINCIPAUX DU “DOWNHOLE”

-

mesurer propriétés élastiques des matériaux

-

déterminer vitesses des ondes P & S

-

identifier la stratification des couches du sous-sol

-

déterminer le module de cisaillement Gd

=ρ.vs

14

Surface source

S-wave arrival time, t

vs = dz/dt

Layer 1
Transd. 1

Layer 2
Transd. 2
Depth, z

15

Source of impulse

Receiver

a) Down-hole test

Receiver

Source of impulse

b) Up-hole test

16

Downhole
Testing
Horizontal Plank

Oscilloscope

Pump

with normal load

x
∆t

z1

Hammer

z2

packer

Horizontal
Velocity
Transducers
(Geophone
Receivers)

Test
Depth
Interval

Shear Wave Velocity:
Vs = ∆R/∆
∆t

R12 = z12 + x2
R22 = z22 + x2

∆x

Cased
Borehole

Downhole Geophone
Deployment borehole C4996

Downhole Logging

Impulsive “Slingshot” Source
Heavyweight Geophone

T-Rex Vibratory
Source

Wireline Logging Truck

Pretreatment
Facility

Lightweight Geophone

21

Borehole C4993

Downhole Seismic
Logging–
Borehole C4993

0

Vertical Travel Time - milliseconds
100
150
200

50

250

300

0
780 ft/sec

30

1600 ft/sec
100

100
Hanford
Formation

SHEAR

1760 ft/sec
170

200

2300 ft/sec
236

300

Reworked

Ringold
Formation

1950 ft/sec
300

Depth - feet

Unit A

7150 ft/sec
358

400

Elephant Mountain
Basalt

(5 msec offset due to low velocity
in immediate vicinity of sledgehammer
source location)

8000 ft/sec
474
500

Rattlesnake Ridge
Interbed

2800 ft/sec
532

600

Pomona
Basalt

8500 ft/sec

Slingshot Source - Uncased Hole - 20 Oct 06
Slingshot Source - Stainless Casing - 30 Jan 07
Sledgehammer Source - Stainless Casing - 9 Feb 07

700
Selah Interbed

3750

725
742

Esquatzel Basalt
800

Shear Wave Velocity (fps)
0

2000

4000

6000

8000

0

Range of 2005 Models
50
Range of 2007 Models
Hanford
H2 Unit
(sand)

100

H2/H3 Boundary

Depth (ft)

.

150

Hanford
H3 Unit
(gravel)

200

250

H3/Cold Creek
Boundary
Cold Creek/Ringold
Unit A Boundary

Cold Creek
Unit
(gravel)

300
Ringold
Unit A

350

400

Elephant
Mountain
Member

Avantages et inconvénients
La technique de diagraphie sismique surface à trou a l'avantage de ne nécessiter qu'un seul trou de
forage, cependant elle comporte plusieurs désavantages.
La présence d'onde passant par le tubage (Tube waves) vient fréquemment masquer les ondes S
(particulièrement aux faibles profondeurs), la trajectoire des ondes n'est pas nécessairement directe
comme on le suppose mais peut être réfractée où réfléchie, les ondes P se convertissent en ondes S à
l'interface entre deux horizons, etc.
De plus, il est beaucoup plus difficile d'obtenir un signal intense riche en haute fréquence, puisque celuici est fortement atténué par la couche superficielle de matériaux lâches et secs. Finalement, il est difficile
d'obtenir en un seul essai l'onde P et l'onde S et l'on doit fréquemment recourir à un impact vertical en
plus de l'impact horizontal pour obtenir les deux types d'ondes.

PRECISION DES MESURES « CROSSHOLE » & « DOWNHOLE »

La précision des modules élastiques calculés en utilisant les méthodes de diagraphie sismique dépend
de la précision des mesures de vitesse et de celle de la mesure de la densité.
La précision sur la mesure de la vitesse est directement proportionnelle à la précision sur la mesure du
temps et de la distance.
« Crosshole »
Normalement, si la verticalité des trous est mesurée avec précision, la précision de la mesure de la
vitesse des ondes se situe entre 2 à 4% dans les sols.
« Downhole »
Dans le cas de la diagraphie surface à trou, la précision est plus difficile à évaluer. Normalement, en
prenant pour acquis que les ondes se sont propager en ligne droite entre la source et le capteur, et
que les conditions de bruit et d'atténuation propre au site ont permis d'obtenir un signal de grande
qualité (i.e. riche en haute fréquence et exempt de bruit parasite qui viendrait masquer le signal), on
arrive assez facilement à obtenir une précision de l'ordre de 4 à 5 % ou mieux.

DENSITE
Lors de Ses essais, la densité sera obtenue par mesure en laboratoire du poids volumique d'échantillons
prélevés le long du trou plutôt que par densimétrie γ.γ.