Capteurs autonomes de substances chimiques dans le sous-sol des infrastructures pétrolières – UNDERGROUND

Le déploiement des capteurs dans un environnement représentatif de conditions réelles nécessite une encapsulation qui protège le transducteur des agressions de l'environnement tout en laissant la perméation des fluides contenant les polluants vers la zone sensible. L'encapsulation inclut la connexion d'une antenne conçue pour rayonner efficacement vers la surface tout en permettant son insertion dans le sous sol par fonçage. Atteindre tous ces objectifs permettra de déployer des capteurs sur un site représentatif, suite à leur calibration et la validation de leur capacité à détecter en environnement contrôlé des concentrations sub-ppm de polluants.

Travail en cours

Travail en cours

D. Rabus, F. Minary, G. Martin, J.-M Friedt
A high-stability dual-chip GPR for cooperative target probing
GPR2018 à jmfriedt.free.fr/gpr2018.pdf

Ce projet vise à appréhender le problème de la restauration des sols après leur utilisation par des installations industrielles pétrolières en fournissant des outils pour l’observation à long terme de la présence de polluants organiques dans les sous-sols. La solution que nous proposons à ce problème consiste en un système de mesure comprenant un capteur passif (pas de source d’énergie à proximité du transducteur) interrogeable sans fil déployé et une unité d’interrogation située sur la surface.

Le capteur est conçu autour de la conversion de l’onde électromagnétique incidente en onde élastique. Un tel transducteur à onde élastique de surface (Surface Acoustic Wave – SAW), fabriqué par dépôt d’électrodes sur un substrat piézoélectrique, fournit une sensibilité à un composé chimique grâce à la dépendance de la célérité de l’onde élastique aux conditions limites affectées par une variation de densité. Cette célérité est mesurée comme un temps de vol d’un écho, avec une mesure différentielle entre une zone fonctionnalisée chimiquement et une zone non-fonctionnalisée afin de s’affanchir de la distance variable entre le capteur et le système d’interrogation ainsi que de la dépendance de la célérité de l’onde élastique avec la température. La sélectivité est conférée par un film mince qui réagit spécifiquement avec les composés d’intérêt (fonctionnalisation chimique). Nous nous inspirons de réactions chimiques bien connues en chimie analytique, mais dont les groupes fonctionnels sont greffés dans la matrice organique d’un polymère photosensible compatible avec les méthodes de fabrication de salle blanche. Finalement, le déploiement des capteurs dans un environnement représentatif de conditions réelles nécessite une encapsulation qui protège le transducteur des agressions de l’environnement tout en laissant la perméation des fluides contenant les polluants vers la zone sensible. L’encapsulation inclut la connexion d’une antenne conçue pour rayonner efficacement vers la surface tout en permettant son insertion dans le sous sol par carottage.

L’unité d’interrogation est un outil classique de caractérisation géophysique – un RADAR de sol ou géoradar (GPR par son acronyme anglo-saxon de Ground Penetrating RADAR). Bien que le GPR soit un instrument commercialement disponible et que son aptitude à observer les échos issus de cibles coopératives soit déjà validée, sa capacité à mesurer quantitativement une grandeur, ici une concentration chimique, reste à démontrer. Nous axerons nos travaux suivant deux axes , (i) en modifiant un RADAR commercial ou (ii) en développant notre propre RADAR. Nous étudierons si un instrument commercial peut convenir à cette tâche en servant de système de référence. En particulier, il semble que la stabilité du générateur des signaux de mesure stroboscopique soit insuffisante pour une mesure fine de phase des échos que nous cherchons à mesurer, et diverses solutions sont envisagées pour pallier ce problème. Nous développerons un GPR dédié spécifiquement aux besoins de ce projet, en particulier pour faire correspondre l’encombrement spectral du signal émis à la fonction de transfert du capteur et veiller à la stabilité de la base de temps servant de référence.

Dans la tâche finale, nous déploierons nos systèmes sur un site modèle (bac à sable) pour les calibrer. Puis nous les utiliserons dans un environnement industriel réel pour tester leur aptitude à détecter les polluants avec des concentrations sub-ppm et tester l’interface avec les utilisateurs présents sur ces sites.