Depuis un certain nombre d’années, les foreurs d’eau ont cherché à adapter les toutes dernières techniques à leur problème : « voir » sous terre.
Les méthodes et appareils que nous allons décrire dans cet article font partie de l’arsenal d’instruments géophysiques utilisant l’électronique, que le foreur a adaptés à ses besoins.
Ces techniques, appelées improprement « carottage électrique », fournissent des renseignements géo-descriptifs et métriques sur les terrains forés et permettent donc de situer :
— la nature— la position— l’épaisseur— l’hydraulicité
des diverses couches traversées par l’outil de forage, ce qui complète, précise, vérifie ou corrige les indications fournies par le sondeur en cours de chantier.
L’auscultation électrique des ouvrages procure des indications fondamentales pour le choix des couches à exploiter, ainsi que sur :
— les dimensions (diamètres – longueurs – épaisseurs)— le choix du métal— la position
de l’équipement tubulaire (tubes et crépines) à mettre en place.
Elle permet de définir la conduite du développement qui « conditionnera » le terrain productif adjacent.
(1) M. est l’auteur du livre « LES FORAGES D’EAU, guide pratique », distribué par « TECHNIQUE ET DOCUMENTATION », 11, rue Lavoisier, 75008 Paris.
par M. Albert MABILLOT (1)Ingénieur A. et M. – I.C.F.Sté FILTRES-CRÉPINES JOHNSON S.A.
A — RÉSISTIVITÉ
La méthode n’est réalisable que dans un ouvrage foré, mais non tubé et rempli de boue.
Cette exigence limite généralement l’application du procédé aux seuls forages exécutés au rotary.
Pour obtenir une courbe de résistivité électrique, une électrode est suspendue à l’extrémité d’un câble conducteur isolé et descendue dans le forage.
Un courant électrique est appliqué entre l’électrode située dans l’ouvrage et une deuxième borne mise à la terre en surface.
Les instruments mesurent la résistance électrique offerte au passage du courant sur toute la profondeur du forage.
Les variations de résistance électrique sont enregistrées en regard des profondeurs sous forme d’une courbe connue sous le nom de « log électrique » qu’on peut tenter de traduire par :
« diagramme de résistivité ».
Les changements de résistivité sont dus d’abord aux variations dans la nature des couches souterraines et aussi au degré de minéralisation de l’eau contenue dans ces couches.
Voyons, d’abord, la résistivité d’une argile saturée comparée à celle d’un sable imprégné d’eau.
La résistivité de l’argile saturée est relativement basse, tandis que celle du sable aquifère est nettement plus élevée.
Ainsi peut-on distinguer les deux formations.
Pour les terrains comportant une couche argileuse surmontant une formation sableuse, le diagramme de résistivité montre une nette déviation sur la gauche, donc une faible résistivité pendant le temps où l'électrode se trouve dans la couche argileuse. La courbe passe ensuite nettement à droite quand la sonde pénètre dans la couche sableuse.
La courbe indique donc la cote du « toit » de la couche aquifère sableuse.
Si le terrain comporte trois couches superposées avec un étage de sables aquifères situé entre deux couches argileuses, comme indiqué sur la figure 2, la courbe permet de définir la cote du « toit » et celle du « mur » de la couche aquifère.
À la profondeur correspondant au « mur » de cette couche, la courbe présente un passage caractéristique d'une résistivité élevée à une résistivité plus faible.
Les cotes du « toit » et du « mur » de la couche sableuse ainsi révélées par le diagramme peuvent alors être comparées avec les indications de chantier fournies par le foreur.
La courbe permet aussi de situer la position dans le terrain du niveau aquifère statique en observant les différences de résistivité entre les couches saturées situées au-dessous de ce niveau et celles situées au-dessus.
En effet, les argiles sèches, comme les sables secs, sont mauvais conducteurs d'électricité ; leur résistivité est élevée.
Dès qu'ils sont saturés, l'eau diminue leur résistivité, mais à des degrés différents selon la nature des terrains.
Cette circonstance est causée par le fait que l'eau, bonne conductrice d'électricité, occupe les pores d'une formation donnée et occasionne une diminution de la résistivité globale de cette formation.
La valeur de cette diminution dépend du degré de minéralisation de l'eau, c'est-à-dire de sa teneur en sels minéraux dissous.
L'eau distillée est mauvaise conductrice et possède une résistivité élevée. L'eau salée, bonne conductrice, a une faible résistivité.
L'eau située dans les pores d'une formation argileuse est toujours grandement minéralisée, parce qu'elle dissout les millions de particules qu'elle baigne.
Ainsi, les argiles saturées présentent une résistivité nettement plus faible.
Par contre, les formations de sables saturées présentent une résistivité relativement plus élevée. L'eau qui s'y trouve ne peut dissoudre que de très petites quantités de minéraux à la surface des grains de sable.
Ainsi, la résistivité globale du sable et de l'eau qui s'y trouve est relativement élevée.
Si l'eau de la formation aquifère est saumâtre ou salée, la résistivité apparente du sable saturé est faible.
La résistivité exceptionnellement basse de l'eau salée éclipse complètement la résistivité nettement plus élevée du sable lui-même.
L'eau salée réduit la résistivité.
La résistivité d'un aquifère contenant de l'eau salée peut être aussi basse que celle d'une couche argileuse voisine.
Dans une telle situation, le diagramme électrique n'indiquera pas clairement la cote du « toit » et celle du « mur » de la couche sableuse aquifère.
Le graphique comporte les mêmes faibles valeurs de résistivité, quelle que soit la position de la sonde, dans les couches argileuses comme dans l'aquifère contenant de l'eau salée.
En sorte qu'il est presque impossible de distinguer l'une ou l'autre des deux formations si l'on n’a recours qu'au seul diagramme de résistivité électrique.
L'appareillage.
Un équipement classique d’auscultation électrique se compose de quatre éléments :
- 1. — Un ensemble électrotechnique fournissant le courant (piles, accumulateurs) à la sonde et permettant la mesure de la résistivité globale du circuit.
- 2. — Un tambour enrouleur (treuil) avec son câble conducteur isolé.
- 3. — Une électrode ou sonde qui assure le passage du courant à travers la boue de circulation et la formation autour du forage.
- 4. — Un appareil enregistreur traçant la courbe continue des résistivités en regard de l'échelle des profondeurs.
L'équipement électrique comporte des appareils de réglage qui permettent d'adapter l'intensité du courant aux conditions spécifiques de chaque ouvrage afin d'apprécier les variations de résistance du circuit.
Les différentes valeurs des résistivités peuvent être transmises à la plume mobile d'un enregistreur qui trace directement la courbe.
Elles peuvent, aussi, être simplement lues sur les cadrans des appareils de mesure, puis portées sur une feuille spéciale. La courbe est, alors, tracée à la main.
Le tambour enrouleur est garni du câble conducteur isolé permettant de descendre la sonde jusqu'au fond du forage, puis de la remonter lentement pendant que s'effectuent les mesures.
Pour les profondeurs de l'ordre de 200 mètres, un petit tambour de treuil à manivelle est suffisant. Pour les plus grandes profondeurs, le poids du câble, même allégé par son immersion dans la boue, nécessite l'emploi d'un treuil à moteur.
Dans tous les cas, un dispositif indique à chaque instant la position de la sonde dans l'ouvrage.
Si l’équipement comporte un enregistreur automatique, l'appareil qui mesure la longueur déroulée du câble est relié au dispositif d'entraînement du graphique de telle sorte que le déroulement du papier s'effectue proportionnellement au déroulement du câble.
Si la courbe est tracée à la main, il y a lieu de noter en même temps l'indication de la profondeur atteinte par la sonde et celle de la résistivité correspondant à cette cote.
La sonde se présente sous la forme d'un outil cylindrique de 40 à 65 millimètres de diamètre en matière isolante.
Une ou plusieurs électrodes, constituées par de minces anneaux métalliques, y sont placées.
Chaque électrode est reliée à l'un des fils du câble conducteur auquel la sonde est suspendue.
L’enregistreur automatique comporte une plume sous laquelle se déroule la feuille graphique entraînée par un petit moteur.
La plume se déplace sur le graphique en fonction des valeurs de la résistivité tandis que le papier se déplace d'une longueur proportionnelle à la course de la sonde.
Si l'équipement ne comporte pas d'enregistreur automatique, les relevés des résistivités s'effectuent à des intervalles réguliers de profondeurs de l'ordre de 30 centimètres à 1 mètre.
Ces relevés sont portés sur le papier graphique et les points, reliés entre eux, constituent la courbe du diagramme électrique.
Nous donnons à la figure 5 un diagramme commun à deux tests différents.
L'auscultation électrique présente plusieurs avantages importants, si l'ouvrage a été foré au rotary.
Ce sont :
- — 1. — Connaissance plus précise de la cote du « toit » et de celle du « mur » de chacune des couches.
- — 2. — Connaissance exacte de l'épaisseur des couches.
- — 3. — Identification des formations aquifères d'eau douce.
- — 4. — Différenciation entre une couche de sable brut et une couche de sable argileux ou bien entre une couche de sable et des passages argileux.
- — 5. — Indication du fait qu'une couche aquifère contient de l'eau saumâtre ou de l'eau salée.
Dans l'étude de l'équipement de l'ouvrage, le rapport du foreur et le diagramme électrique permettent de situer les cotes des meilleures zones où seront installés un ou plusieurs tronçons de crépines.
La longueur à donner à chaque tronçon est, en même temps, définie avec exactitude en rapport avec l'épaisseur de l'aquifère correspondant.
Le forage au rotary à la boue est rapide et économique dans les formations peu consolidées. Cependant, quelques erreurs peuvent se produire dans l'appréciation par le foreur de la position des couches, parce que les sédiments forés (cuttings) sont plus ou moins mélangés à la boue et aussi parce qu'il est difficile d'apprécier le temps qu'ils mettent pour arriver à la surface.
Il est souvent difficile pour un foreur de donner avec précision la cote à laquelle se situe un échantillon recueilli à un instant donné dans la boue de circulation.
L'auscultation électrique permet de supprimer ces causes d'erreurs qui sont inévitables quelles que soient les méthodes employées pour l'exécution de l'ouvrage.
En outre, le diagramme électrique indique, avec une suffisante précision la nature des formations rencontrées.
Aucun procédé de prélèvement d'échantillons, sauf le carottage mécanique, ne peut donner de telles indications.
Les renseignements numériques procurés par l'auscultation électrique sont indépendants des choix de l'opérateur et ne sont pas influencés par d'éventuelles appréciations verbales.
Lorsque des séries de sondages d'essais sont exécutées dans un but exploratoire, l'auscultation électrique permet d'établir les relations entre la position verticale des mêmes couches d'un ouvrage à l'autre.
Il permet d'établir avec précision les cartes géologiques et les coupes des formations superposées.
B — POTENTIEL
Les potentiels électriques de diverses formations souterraines peuvent être mesurés sous forme de différences de tensions engendrées naturellement ou spontanément dans des forages ou des excavations profondes.
Des mesures du potentiel du sol ont été effectuées dans des puits de mines et dans des forages d'exploitation de pétrole ou d'eau.
Que peut-on dire sur les différences de potentiel à diverses profondeurs du sol ?
Quatre facteurs sont généralement reconnus comme étant la cause de ces différences de potentiel qu'on peut enregistrer en « auscultation » électrique.
Les deux plus importants sont :
- — mise en contact de matériaux de structure différente
- — action électrochimique.
La mise en contact d'éléments dissemblables correspond à la superposition de couches différentes.
Le contact d'une couche argileuse avec une couche inférieure sableuse ou bien entre une formation sableuse et une formation rocheuse dure en sont deux exemples.
L'action électrochimique se produit quand des fluides de différentes conductivités entrent en contact. Elle est comparable à ce qu'on observe dans une pile galvano-électrique lorsque deux métaux différents sont plongés dans un électrolyte.
Dans les formations souterraines, la teneur de l'eau en minéraux dissous est très variable.
Cette hétérogénéité, à elle seule, engendre des différences de potentiel dues à l'action électrochimique.
Bien plus grande est la différence entre la minéralisation de la boue de forage et celle de l'eau d'une formation aquifère, en sorte que l'action électrochimique qui résulte de cette hétérogénéité est considérable.
D'autres causes de différences de potentiel, telles que l'effet électrocinétique d'une subite venue de fluide provenant de la formation et le processus d'induction électromagnétique sont tellement faibles qu'on peut les considérer comme négligeables, pour le moment.
Un potentiel électrique peut aussi être observé au voisinage de certaines concentrations de minerais, mais il n'a rien à voir avec la présente étude de l'« auscultation » électrique en forages d'eau.
Les potentiels relevés dans les courbes S.P. (self-potentiel), ou (potentiel spontané), d'un diagramme électrique, résultent des effets combinés de l'hétérogénéité des éléments géologiques et de l'action électrochimique provoquée par le contact entre l'eau contenue dans la boue de circulation et l'eau des formations aquifères.
Dans un diagramme d'« auscultation » électrique, la courbe S.P. (self-potentiel) indique les variations de potentiel, selon les profondeurs, entre une électrode descendue dans le forage et une autre électrode située à la surface du sol et mise à la terre.
Le potentiel est mesuré en millivolts par un voltmètre très sensible branché entre la prise de terre à la surface et l'électrode mobile.
Aucune source auxiliaire de courant n'intervient dans cette mesure, contrairement à ce que nous avons vu dans le chapitre précédent pour la mesure de résistivité.
Pour mesurer le self-potentiel aux différentes profondeurs, une électrode est descendue dans le forage, non tubé et rempli de
A) Millivoltmètre
boue de circulation, à l'extrémité d'un câble conducteur isolé relié à l'une des bornes du millivoltmètre.
L'autre borne est mise à la terre à la surface, généralement dans le bac à boue.
L'électrode mobile est normalement considérée comme étant négative par rapport à l'électrode mise à la terre, mais nous verrons plus loin qu'il existe plusieurs exceptions à cette règle.
Le courant, d'origine électrochimique, entre la boue et la formation, n'intervient pas dans la mesure.
Le millivoltmètre branché entre les deux bornes (sonde et terre) mesure seulement les différences de potentiel entre l'électrode mobile (sonde) à diverses profondeurs et l'électrode fixe (borne à la terre).
Comme l'électrode mobile est manœuvrée de haut en bas, puis de bas en haut dans le forage, le millivoltmètre mesure les variations du self-potentiel correspondant à chacune des différentes couches traversées par l'ouvrage.
La courbe ainsi tracée en regard de l'échelle des profondeurs est dénommée diagramme de self-potentiel (SP).
Cette courbe, sur la figure 5, est interprétée en même temps que celle des résistivités apparentes dont nous avons parlé dans le chapitre précédent.
Les deux courbes, présentées ensemble sur une même bande enregistreuse, constituent, en fait, ce qu'on désigne sous le nom de « log » ou diagramme électrique.
La courbe SP — self-potentiel — se trouve à gauche du diagramme ; elle peut être facilement confrontée avec celle des résistivités apparentes située à droite.
Dans les forages pétroliers, le « log » SP se présente avec une ligne de base, plus ou moins verticale, accompagnée de « pointes » vers la gauche.
L'étude de milliers de diagrammes a montré que la « ligne de base » correspond aux couches imperméables telles que l'argile ou les schistes, tandis que les « pointes » correspondent à des formations perméables.
Sur le diagramme schématique de la figure 5, la ligne verticale interrompue, reliant les pointes des self-potentiels correspondant aux couches imperméables argileuses, constitue précisément la « ligne de base des argiles ».
Les pointes situées à gauche de cette ligne s'appliquent aux formations sableuses aquifères.
Pour les sables imprégnés d'eau douce, les variations de self-potentiel sont en corrélation avec les « pointes » de la courbe de résistivité.
Pour l’eau salée, par contre, seule la courbe de self-potentiel montre une « pointe » qui indique la présence à cette cote d’une couche perméable, tandis que la résistivité de cette formation n'est pas plus grande que celle des couches argileuses voisines.
Selon H. G. Doll, ingénieur de l'Institut Américain des Ingénieurs des Mines de la Métallurgie de New York.
« Les mesures qui révèlent la présence de formations perméables et qui donnent, avec précision, les frontières de ces zones perméables, sont d'une grande importance pour la recherche pétrolière.
« Pourtant, bien que la courbe de self-potentiel constitue la meilleure approche pour une telle recherche, son interprétation n'est cependant pas toujours évidente.
« En ce qui concerne la ligne de base de la courbe SP, on doit observer que cette ligne n'est pas toujours au même endroit de la courbe.
« Parfois, elle se déplace brusquement, tandis qu’en d'autres zones, elle présente une poussée plus amortie.
« Pour ce qui est des « pointes », leur forme n'est pas identique, certaines sont arrondies, alors que d'autres sont très aiguës.
« Ainsi, on doit conclure que les pointes s'étendent à des couches voisines des frontières des zones perméables.
« Des mesures de perméabilité effectuées sur des échantillons carottés ont confirmé qu'il n'y a pas toujours coïncidence entre l'ampleur des courbes de self-potentiel et les valeurs réelles de la perméabilité. »
L'interprétation des courbes de « self-potentiel » en forages d'eau et en forages pétroliers.
La plupart des informations sur l'interprétation des courbes de « self-potentiel » ont trait aux tests électriques en forages pétroliers.
Ce fait est très significatif car les méthodes d’interprétation en usage dans l'industrie du pétrole ne s'appliquent pas toutes aux terrains aquifères d'eau douce.
Depuis que l'on sait que la mesure du « self-potentiel » est influencée par la réaction électrochimique entre la boue de forage et l'eau de la formation, il est important d'expliquer les différences entre les courbes tracées en forages pétroliers et celles obtenues en forages d'eau.
L’eau qui accompagne une venue d'huile est de l'eau salée.
La conductivité électrique de cette eau est très élevée en comparaison avec celle de l'eau généralement contenue dans la boue de circulation.
L'eau douce souterraine, par contre, possède une conductivité nettement plus faible que l'eau saumâtre ou salée des forages pétroliers.
Sa conductivité électrique peut être sensiblement équivalente, ou même, inférieure, à celle de l'eau de la boue de circulation.
En d'autres termes, la résistivité de l'eau d'une formation peut être approximativement la même ou un peu plus grande que la résistivité de la boue de forage.
La réaction électrochimique entre l'eau d'une formation et la boue de circulation est nettement différente selon que l'eau souterraine est considérablement plus salée que la boue (en forages pétroliers) ou selon que l'eau de la formation a sensiblement la même salinité que la boue de circulation (en forage d'eau).
Lorsqu'un sable perméable contient de l'eau salée et que la boue de forage est à base d'eau douce, la courbe de « self-potentiel » montre normalement une déviation relativement importante vers la gauche par rapport à la ligne de base.
La déviation relative au même sable contenant de l'eau douce serait extrêmement faible par rapport à la ligne de base de l'argile.
Une autre façon d'expliquer cette différence est de remarquer que les sables contenant de l'eau salée présentent un potentiel fortement négatif par rapport à celui des couches argileuses, tandis que les sables contenant de l'eau douce ne présentent qu'un potentiel négatif à peine plus grand que celui de l'argile.
L'examen des courbes schématiques de la figure 5 donne une idée des différences qu'on peut observer entre les sables contenant de l'eau douce, ceux renfermant de l'eau saumâtre et ceux imprégnés d'eau salée.
La nature des sels dissous dans les eaux souterraines est aussi très différente dans les forages pétroliers et dans les forages d'eau.
Dans les forages pétroliers, il s’agit du chlorure de sodium (NaCl). Par contre, dans la plupart des forages d'eau, le sel dominant est le bicarbonate de chaux ou le bicarbonate de magnésie, avec une faible teneur en chlorure de sodium.
Pour interpréter la courbe de « self-potentiel », nous devrons tenir compte de la nature des sels dissous, car, lorsqu’il s'agit de concentrations importantes, les courbes peuvent être très différentes pour une même couche géologique.
L'industrie des forages d'eau est redevable à R. P. Alger (ingénieur de la Schlumberger Well Surveying Corporation à Houston [Texas]) de l'explication de ces différences et d'avoir nettement clarifié les méthodes d'interprétation applicables, précisément, aux forages d'eau.
R. P. Alger remarque que peu de choses ont été publiées sur l'interprétation des courbes de « self-potentiel » relatives aux forages d'eau.
De telles études sont en cours en relation avec l'examen des échantillons de terrains et avec les performances des forages productifs, elles permettront d’améliorer l'efficacité des conclusions à tirer de l'interprétation de ces courbes.
D'une manière générale, on peut se baser sur les points suivants pour interpréter les courbes de « self-potentiel » relatives aux formations aquifères d'eau douce :
- 1) Les mesures de « self-potentiel » sont plus probantes dans les forages relativement profonds. Dans les petits ouvrages, l'interprétation de la courbe SP est, souvent, peu concluante.
- 2) Pour interpréter une courbe, il faut d'abord tracer la ligne de base des argiles.
- 3) Observer les déviations, soit à gauche (négatives), soit à droite (positives) de la ligne de base. Elles indiquent les positions et les dimensions verticales des aquifères d'eau douce de plus de un mètre d’épaisseur.
- 4) Comparer les résultats avec les indications de la courbe de résistivité.
- 5) Noter que la ligne de base des argiles peut s'infléchir graduellement ou brusquement à de grandes profondeurs sans qu'on puisse en définir la raison.
Comme déjà indiqué, la déviation — ou pointe — peut être insignifiante en regard des sables aquifères d'eau douce si l'eau de la boue de circulation a sensiblement la même composition que l'eau de la formation.
L'amplitude de la déviation peut être augmentée en ajoutant du sel à la boue de forage.
Cela, cependant, a pour effet d'inverser la polarité du potentiel, ce qui se traduit par des déviations à droite de la ligne de base des argiles, comme s'il s'agissait de sables aquifères salés, c'est ce qu'indique la figure 6.
Bien que les courbes de « self-potentiel » relèvent des zones perméables, il n'y a pas de relation certaine entre l'amplitude des courbes de « self-potentiel » et la valeur de la perméabilité ou de la porosité d'une couche sableuse.
C – RAYONS GAMMA
L’« auscultation » des terrains par les rayons Gamma s'effectue en descendant une sonde appropriée dans un forage pour déceler les variations des rayons Gamma émis par les formations souterraines à diverses profondeurs.
C'est l'une des trois techniques mises en œuvre pour l'exploration géophysique des ouvrages.
L'« auscultation » géophysique, nous l'avons vu, comporte la descente, dans un ouvrage foré, de sondes permettant de mesurer certaines propriétés spécifiques des diverses couches souterraines qui sont indirectement en relation avec leurs caractères géologiques et hydrologiques.
Les deux précédents chapitres ont montré que l'« auscultation » électrique permet de mesurer la résistivité apparente des formations superposées et de détecter leur self-potentiel résultant du contact de chacune des couches avec la boue de circulation qui emplit l'ouvrage.
L'« auscultation » aux rayons Gamma permet de mesurer les intensités relatives des rayons Gamma émis naturellement et à faible régime par les couches d'argile, de limon, de sable, de gravier et de roches dures rencontrées par l'outil de forage.
Les rayons Gamma, qui s'apparentent à plusieurs titres aux rayons X, sont émis ou diffusés par certaines particules radioactives couramment incluses en diverses concentrations dans les matériaux géologiques souterrains.
Il se trouve que la concentration de telles particules est plus grande dans les formations argileuses que dans des couches de sables quartziques.
Un détecteur de rayons Gamma permet, par conséquent, de distinguer les argiles des sables quartziques.
Quand il se trouve en regard d'une formation argileuse, le détecteur enregistre une plus grande concentration de rayons Gamma que s'il se présente devant une formation de sables quartziques.
Tel est le principe essentiel de l'« auscultation » aux rayons Gamma dans les forages.
Si l'on réunit par une courbe les indications fournies par ce procédé, on obtient un graphique comparable à celui des deux autres méthodes d'« auscultation » déjà décrites. Le diagramme représente donc le lieu des diverses intensités de rayons Gamma détectées à diverses profondeurs.
Les rayons Gamma, comme bien d'autres sortes d'énergie, sont émis par les minéraux naturellement radioactifs.
Seuls, cependant, les rayons Gamma interviennent dans l'« auscultation » des forages, à cause de leur unique aptitude à traverser les matériaux très denses, tels que le ciment entourant les tubages et les tubages eux-mêmes. L'« auscultation » aux rayons Gamma présente ainsi un avantage fondamental sur les deux autres méthodes d'« auscultation » électrique déjà décrites : elle peut être employée aussi bien dans les forages tubés que dans les forages non tubés, qu'ils soient remplis, ou non, d'eau ou de boue de circulation.
On peut effectuer une « auscultation » aux rayons Gamma sur des forages anciens, sans aucune difficulté.
Les rayons Gamma sont émis à diverses fréquences par les minéraux radioactifs. Le nombre de pulsations émises par seconde, ou par minute, varie entre deux valeurs minimum et maximum pour une même matière.
Un autre élément d'incertitude qui s'ajoute à ce phénomène d'irrégularité des pulsations provient de la qualité de la sonde employée.
Les pulsations émanant du matériau radioactif ne sont pas toutes enregistrées par le détecteur.
La proportion des pulsations enregistrées n'est pas, non plus, identique pour tous les matériaux.
Il y a lieu de tenir compte de ces diverses circonstances pour interpréter les diagrammes de rayons Gamma.
Nombre de pulsations
L'intensité des radiations émises par un élément géologique est définie par le nombre de pulsations enregistrées pendant l'unité de temps par l'appareil de détection approprié.
Cette intensité s'exprime par le nombre moyen de « coups » par seconde, ou de « coups » par minute, perçus pendant une période de temps donnée par le détecteur.
La période pendant laquelle les pulsations — ou les « coups » — sont enregistrées est dénommée le « temps constant ».
Le « temps constant » est déterminé par l'opérateur en fonction des caractéristiques de chaque type d'appareil et de l'expérience acquise pour de telles opérations dans une région géologique donnée.
Pour expliquer la raison de ce facteur du « temps constant », supposons qu'on ait enregistré 40 « coups » en 20 secondes avec une sonde située à 60 mètres de profondeur. Cela représente une moyenne de 2 « coups » à la seconde pendant la période de 20 secondes considérée, soit l'équivalent de 120 « coups » à la minute.
Si l'on avait compté le nombre de « coups » pour chaque seconde prise individuellement pendant la même période de
20 secondes, on aurait observé, par exemple, un seul « coup » à la première seconde, deux « coups » à la deuxième et trois « coups » à la dernière.
Dans cette hypothèse, la fréquence aurait pu varier, au hasard, de 1 à 3 « coups » par seconde.
Avec un « temps constant » aussi réduit que la seconde, par conséquent, l’enregistrement aurait pu indiquer 1, 2 ou 3 « coups » par seconde, selon la seconde au cours de laquelle l'observation aurait été faite à cette profondeur de 60 mètres, soit l'équivalent de 60, 120 ou 180 « coups » à la minute.
Temps constant réduit
Le choix d'un temps constant réduit résulte de l’examen des fluctuations de la fréquence des « coups » par seconde ou par minute en comparaison avec le nombre moyen des « coups » pendant un temps constant plus long.
Des temps constants relativement courts doivent être choisis pour l’« auscultation » avec une sonde se déplaçant de bas en haut, à une vitesse constante, dans un forage.
Il en est ainsi si l'équipement comporte un appareil enregistreur traçant une courbe continue en relation avec le mouvement de la sonde.
Le temps constant et la vitesse de remontée de la sonde doivent être parfaitement coordonnés pour obtenir un bon diagnostic.
Des temps constants plus longs peuvent être aisément choisis pour des mesures effectuées « manuellement » dans lesquelles la sonde peut être laissée en stationnement à diverses profondeurs.
Dans ce cas, les mesures relevées sont portées « à la main » et reliées entre elles pour constituer la courbe du diagramme.
Les rayons Gamma recueillis par la sonde proviennent d’éléments situés à une distance relativement faible autour du forage.
On peut tenter de définir grossièrement le rayon d'une sphère à l'intérieur de laquelle les radiations sont perçues par le détecteur.
Le rayon d'une sphère où sont détectées 90 % des pulsations émises est dénommé « rayon d’investigation » de l’appareil.
Le demi-diamètre du forage est inclus dans le rayon d'investigation.
On en déduit que le calibre du forage ne manque pas d'intervenir dans l'efficacité de l'opération.
La figure 7 montre la signification de ce « rayon d’investigation ».
Les géophysiciens de « U.S. GEOPHYSICAL SURVEY » estiment que 90 % des rayons Gamma recueillis proviennent de points situés à une distance de 15 à 30 centimètres de la paroi du forage.
La figure 7 montre aussi que les radiations émises par les formations adjacentes (supérieures ou inférieures) influencent les résultats dans la mesure où elles se trouvent dans le « rayon d'investigation » de la sonde.
Le changement du nombre de « coups » par seconde ne s'opère pas brusquement au niveau du contact de deux zones.
La courbe du diagramme est arrondie au passage du « toit » et du « mur » de la couche argileuse dans l’exemple de cette figure 7.
Ce fait doit être pris en considération pour définir, par l’interprétation de la courbe, l'épaisseur d'une couche quelconque.
On peut également en déduire que les très minces couches, celles dont l'épaisseur est inférieure au « rayon d'investigation », sont difficilement décelables sur un diagramme de rayons Gamma.
Le circuit électronique d'un équipement d’« auscultation » aux rayons Gamma comprend un détecteur, un générateur de courant à haute tension, un amplificateur de pulsations, un régulateur de tension et un compteur électronique.
La plupart des équipements de l'industrie de recherches pétrolières et quelques instruments employés en forages d'eau utilisent des tubes GEIGER-MUELLER (G. M.) comme détecteurs.
D'autres ensembles utilisés en forages d'eau sont munis de détecteurs scintillants de cristal — à l'iodure de sodium activé et thallium — mais on ne peut les employer à des températures supérieures à 65 °C.
Amplificateurs transistorisés
Le tube GEIGER-MUELLER est le moins efficace des détecteurs, mais la sonde de l’équipement GR-71, conçu par W. G. KECK et Cie, se compose de 7 tubes groupés dans la sonde et possède une sensibilité adéquate.
Ces tubes sont montés dans un cylindre en matière plastique de 33 millimètres de diamètre et de 38 centimètres de long.
Pour le GR-71, l’amplificateur des impulsions se trouve dans un compartiment de la sonde, séparé de celui des tubes détecteurs.
Cet amplificateur transistorisé a une longueur de 10 centimètres.
Les minéraux couramment rencontrés parmi les éléments géologiques souterrains tels que l'argile, le sable, le calcaire et les grès renferment du « potassium 40 » radioactif et quelques dérivés de l'uranium et du thorium.
Le plus important d'entre eux est le « potassium 40 » ; on le trouve en si grande quantité qu'il éclipse la plupart des autres particules radioactives.
Le POTASSIUM est un important constituant de l'argile, du mica, du feldspath et des schistes.
L'isotope radioactif « potassium 40 », qui représente environ 0,012 % du total des éléments de potassium, émet les rayons Gamma.
Les sables quartziques ne comportent pas de potassium donc pas de « potassium 40 ».
Rapport du sondeur
Nombre de secondes pour 50 battements
| 5 | 10 | 15 | 20 | 25 |
| T | T | T | T | T |
Profondeur en pieds
Sable argileux
Cependant une couche sableuse émet les rayons Gamma à une très faible puissance.
Normalement, donc, l’« auscultation » aux rayons Gamma donnera davantage de « coups » par seconde, ou par minute, aux niveaux correspondant aux couches argileuses ou schisteuses, et moins de « coups » en regard des couches sableuses ou gréseuses, si le sable est en majeure partie quartzique.
L’émission de rayons Gamma est donc particulièrement importante devant les argiles ou les couches argileuses parce qu’elles contiennent davantage de « potassium 40 ».
Grains de feldspath
Un des problèmes que pose l'interprétation des diagrammes se présente lorsque les sables contiennent une forte proportion de grains de feldspath plutôt que de quartz.
En effet, au moins autant que le quartz, le feldspath peut contenir du potassium et, notamment, du « potassium 40 » radioactif.
Un sable contenant du feldspath peut émettre des rayons Gamma avec une intensité voisine de celle de l’argile.
Le contraste entre les émissions de rayons Gamma par ce type de sables d’une part et l’argile d’autre part est moins grand qu’entre celles émises par le quartz et l’argile.
Il en résulte que le diagramme peut ne pas montrer aussi clairement qu’on le souhaiterait la présence de couches sableuses renfermant du feldspath.
C’est un point important à signaler, notamment dans l’« auscultation » de terrains glaciaires où le feldspath fut souvent un élément prépondérant dans la formation des grains de sable.
Une solide expérience et la connaissance de la géologie locale sont nécessaires pour effectuer des interprétations correctes des diagrammes tracés dans de telles circonstances.
D'importantes exceptions doivent être signalées dans les comparaisons qui viennent d’être indiquées, notamment celles relatives aux grès — ou autres formations — renfermant des inclusions de matières volcaniques avec des teneurs relativement élevées en minéraux radioactifs.
Les minerais d'uranium et certaines autres roches très radioactives constituent, bien sûr, des catégories très spéciales, nettement différentes des formations souterraines couramment rencontrées dans l'industrie des forages d'eau.
Diamètre du forage
Un autre problème rencontré dans l’interprétation des diagrammes a trait au diamètre du forage.
Lorsqu’on se trouve en présence de vides en terrains argileux ou schisteux provoqués, par exemple, par une opération d’instrumentation par lavage, le diagramme de rayons Gamma montrera en regard des zones élargies une faible intensité radioactive.
En ces points, le diagramme se présentera comme s'il s’agissait d’une formation sableuse.
L’examen des échantillons de terrain — « cuttings » — et le rapport des sondeurs doivent permettre d’éliminer cette difficulté d'interprétation.
En dehors de ces quelques problèmes, le diagramme de rayons Gamma devrait se présenter sous forme d’une courbe reliant les points correspondants au nombre moyen de « coups » à la minute, ou à la seconde, en regard de l’échelle des profondeurs.
Il est, cependant, beaucoup plus pratique de tracer la courbe des inverses des nombres de « coups » par unité de temps, c’est-à-dire les temps en secondes pour un nombre arbitraire de « coups » enregistrés par la sonde.
Le compteur enregistreur de l’appareil GR-71 comporte une telle disposition.
Ce compteur indique automatiquement les temps en secondes nécessaires, soit pour 50, pour 100 ou 200 impulsions ou « coups », selon le réglage de l'appareil.
C'est en fonction des temps correspondant à 50 « coups » que la courbe de la figure 8 a été pratiquement tracée.
Ainsi présenté, le diagramme de rayons Gamma s’apparente généralement aux autres diagrammes d'« auscultation » électrique déjà décrits.
Forage et méthode
Ainsi une nette déviation sur la droite, sur le diagramme de rayons Gamma comme sur les autres courbes de l’« auscultation » électrique est l’indice de l'existence d'une couche de sable contenant de l'eau douce.
Le procédé de détection aux rayons Gamma est un outil efficace pour l’industrie des forages d'eau.
C'est la seule méthode qui puisse, pratiquement, être employée dans les forages tubés, notamment ceux qui ont été exécutés au battage au câble, ainsi que sur des ouvrages anciens qu’on désire contrôler, régénérer ou améliorer.
Dans les ouvrages forés au rotary, le diagramme de rayons Gamma, comme moyen complémentaire des deux autres tests d’« auscultation » électrique, constitue un très utile élément d'information dans la recherche de la position des couches aquifères.
Ces méthodes et instruments, comme nous avons pu le voir, apportent de précieux renseignements aux foreurs. Toutefois, ils ne peuvent en aucun cas être considérés comme la panacée universelle, le moyen miracle de découvrir l’eau.
Tous les diagrammes d'auscultation électrique géophysique ne peuvent être correctement interprétés qu’en liaison avec les rapports de chantiers des foreurs et après examen des échantillons de terrains (appelés cuttings). Ils nécessitent donc une connaissance approfondie des conditions géologiques locales et une longue expérience de foreur.
A. MABILLOT.
