Brevet FR2369577A1 — publié le 19780526

L'invention concerne des procédés et dispositifs d'exploraton sismique en mer dans lesquels on utilise une source à gaz de signaux acoustiques. Dans l'exploration sismique en mer, on utilise couramnent des sources de signaux acoustiques comme les canons à air, pour émettre des signaux acoustiques dans l'eau par la libération rapide de gaz sous pression à partir d'une chambre. Un canon à air classique, décrit dans le brevet américain No .3.249.177, comporte une chambre alimentée en air comprimé, à partir d'un compresseur à haute pression. On actionne une vanne pour provoquer une évacuation rapide de l'air comprimé de la chambre, ce qui donne naissance à une onde acoustique de forte intensité. Les canons à air comprimé sont habituellement utilisés à une profondeur d'environ 9 m. Lorsqu'une telle source de signaux acoustiques est actionnée dans une masse d'eau, il se forme une bulle qui communique au milieu environnant une forte accélération initiale vers l'extérieur. Toutefois, une grande partie de l'énergie libérée n'est pas rayonnée immédiatement sous forme d'onde sismique mais est retenue et stockée dans l'eau sous la forme d'énergie cinétique. Un peu plus tard le déplacement de l'eau vers l'extérieur s'inverse et il apparatt un courant convergeant qui produit un signal sismique secondaire, ce phénomène étant à la base de l'oscillation de la bulle. Ainsi, le signal acoustique émis par un seul canon à air, ou signature du canon, qui est l'amplitude du signal émis en fonction du temps, comprend principalement une première impulsion d'énergie acoustique, puis un signal secondaire dû aux oscillations de la bulle d'air libérée. Ce signal secondaire, appelé signal de bulle, est préjudiciable pour l'interprétation des signaux sismiques enregistrés. Le signal de bulle est préjudiciable dans des méthodes d'exploration sismique classiques dans lesquelles on détecte au voisinage de la surface des réflexions sur des miroirs du sous-sol de signaux sismiques émis vers le bas car ce signal de bulle ne peut pas être différencié facilement des réflexions secondaires détectées par les hydrophones. Le signal de bulle est également préjudiciable dans des opérations sismiques effectuées dans les puits dans lesquelles un géophone ou un hydrophone est disposé dans un sondage pour détecter un signal sismique émis dans les formations terrestres depuis la surface.En effet, dans les appareils les plus récents, on enregistre les formes d'onde des signaux reçus pour trouver des arrivées secondaires dues par exemple à des réflexions sur des miroirs de formation situés au-dessous de lthydrophone du sondage. Pour essayer d'annuler ce signal secondaireS une méthode connue consiste à associer jusqu'à dix canons possédant des fréîuences différentes ae signal de bulle, ce qui annule sensiblement le signal de bulle de l'ensemble. I1 existe aussi d'autres dispositifs pour réduire les oscillations du signal de bulle dans un canon. Cette technique consiste à diviser la chambre du canon en deux parties, par une paros comportant un étranglement. L'air libéré brusquement de la première chambre forme la bulle qui crée le signal acoustique. La bulle est ensuite alimentée en air comprimé à partir de la deuxième chambre ce qui réduit les oscillations de la bulle. Un tel dispositif est commercialisé par exemple par la société américaine 301t Associates. Le signal acoustique émis est amélioré mais la forme de ce signal comprend encore une partie importante due au signal de bulle secondaire. La présente invention a pour objet un procédé et un dispositif d'exploration sismique qui comprennent une source acoustique, située sous l'eau, pour émettre des signaux acoustiques considérablement améliorés. Selon l'invention un procédé d'exploration sismique comprend les étapes suivantes : émettre un signal acoustique par libération d'un gaz sous pression, à une profondeur sélectionnée, dans une masse d'eau; et détecter les signaux acoustiques dérivés du signal acoustique émis et transmis à travers des formations terrestres situées sous la masse d'eau. La profondeur d'émission du signal acoustique est choisie de manière qu'une partie de ce signal émise en premier soit renforcée tandis qu'une partie émise ultérieurement soit réduite par un écho dudit signal réfléchi par la surface de l'eau. La profondeur est telle que le double du temps de trajet acoustique, de cette profondeur à la surface, est sensiblement égal à la durée de la première alternance du signal acoustique émis. Dans les canons à air classiques, la durée de la première alternance du signal acoustique est d'environ 5 ms. La source est donc située à une profondeur eomprise entre 1,5 m et 4,5 m, et de préférence à environ 3 m. Le dispositif d'exploration sismique pour la mise en oeuvre du procédé suivant 1 'invention comprend : une source de signaux acoustiques comprenant une chambre pour libérer du gaz sous pression destiné à produire un signal acoustique dans une masse d'eau; et des moyens pour maintenir ladite source à une profondeur prédéterminée dans l'eau, de maniée qu'une partie du signal émise en premier soit renforcée et qu'une partie du signal émise ultérieurement soit réduite par un écho réfléchi par la surface de l'eau. La-profondeur est telle que le double du temps de trajet acoustique de la source à la surface est sensiblement égal à la durée de la première alternance du signal acoustique émis.Les moyens de maintien de la source comportent des moyens flottants à la surface de 11 eau et des moyens pour fixer la source aux moyens flottants de manière qu'elle se trouve à la profondeur prédéterminée. De préférence la source comporte un dispositif interne pour réduire les oscillations de bulle comme décrit précédemment. L'invention sera d'ailleurs mieux comprise à l'aide de la description suivante, donnée à titre d'exemple non limitatif en référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 représente les signaux acoustiques émis par une source à air comprimé immerge dans une masse d'eau; - la figure 2 représente les formes d'ondes des signaux acoustiques de la figure 1; - la figure 3 représente la forme tonde d'un signal émis obtenu avec un procédé d'exploration classique; - la figure 4 représente la forme d'onde d'un signal émis obtenu avec le procédé suivant l'invention; et - la figure 5 est une vue schématique d'un dispositif d'exploration suivant l'invention. En référence à la figure 1, une source de signaux acoustiques 10 est suspendue dans l'eau par un cabale 11. La source 10 peut être un canon à air ayant une capacité de 3.277 cm3 et commercialisé par la société américaine Bolt Associates sous l'appellation DHS 1900. Le principe d'une telle source est décrit dans le brevet américain No. 3.249.177. Le canon comporte une chambre pour recevoir du gaz sous pression, tel que de l'air comprimé, cette chambre possédant un orifice de sortie communiquant avec l'eau.Un piston peut être commandé pour libérer instantanément l'air comprimé de la chambre, produisant ainsi un signal acoustique dans liteau. Suivant l'invention, la source 10 est maintenue par le câble 11 à une profondeur d'environ 3 m. De façon schématique une première onde acoustique W1 est émise vers le bas et une deuxième onde acoustique est émise vers le haut. Cette deuxième onde est partiellement réfléchie par la surface de l'eau et se propage vers le bas sous la forme d'un écho de surface W2. Le signal émis total est constitue par la combinaison des deux ondes W1 et W2. La forme 12 de l'onde W1, représentée sur la figure 2, comprend une première alternance d'une durée égale à environ 5 ms et, à peu près 80 ms plus tard, un signal de bulle secondaire d'une durée égale à environ 12 ms. la forme 13 de l'onde réfléchie W2 est similaire à celle de l'onde W1, mais avec une polarité inverse et un retard correspondant à deux fois le temps de trajet acoustique de la source à la surface. Pour une profondeur de la source égale à 3 m ce retard est d'environ 4 ms étant donné que la vitesse acoustique dans l'eau est égale à environ 1.500 m/s.Dans le signal total 14, ou signature du canon à air, l'impulsion émise en premier-est renforcée tandis que le signal de bulle est presque entièrement supprimé. Pour une profondeur de la source égale à 1J5 m, le retard entre les ondes W1 et W est d'environ 2 ms et la première partie du signal produit est réduite par l'écho de surface W2. Si la profondeur de la source 10 est choisie égale à 9 m, le retard entre les ondes W1 et W2 est d'environ 12 ms et le signal de bulle est amplifié par l'onde réfléchie W2. Bien que le signal de bulle soit considérablement diminué en choisissant convenablement la profondeur de la source, il est encore meilleur dutili- ser une source comportant un dispositif interne pour réduire les oscillations de bulle. Comme décrit ci-dessus, un canon équipé d'un tel dispositif comprend deux chambres adaptées à recevoir de l'air sous pression. Un étranglement de diamètre sélectionné fait communiquer les deux chambres. L'air comprimé est libéré rapidement de la première chambre pour produire la première partie de l'onde acoustique, L'air comprimé de la deuxième chambre, libéré: plus lentement, sert à maintenir la pression de la bulle provenant de la première chambre, réduisant de ce fait les oscillations de la bulle et diminuant le signal secondaire provenant de ces oscillations.Suivant l'invention, on a trouvé que la réduction du signal secondaire est plus efficace à faible profondeur que pour la profondeur de 9 m habituellement utilisée pour les canons. En effet, lorsque la profondeur d'immersion du canon diminue, la dimension de la bulle augmente et sa vitesse d'oscillation décroît en mtme temps que la réduction de pression hydrostatique. La bulle est mieux alimentée par l'air provenant de la deuxième chambre. C'est pourquoi le dispositif interne de réduction des oscillations de bulle est plus efficace aux faibles profondeurs. En outre, la fréquence d'oscil lation de la bulle varie avec la profondeurdu canon.Pour faciliter le filtrage de cette fréquence en vue d'éliminer le signal acoustique secondaire, il est important-de maintenir cette fréquence constante, ctest-à-dire de maintenir le canon à une profondeur constante. La figure 3 représente la forme du signal acoustique émis lorsque la source se trouve à une profondeur de 9 m et la figure 4 représente la forme de ce signal lorsque la source se trouve à une profondeur de 3 m. Sur la figure 4 le bruit de bulle est réduit d'un facteur de 15 pour une très faible réduction de l'impulsion émise en premier par rapport au signal de la figure 3. Sur la figure 5, une plate-forme de forage 20 est disposée auodessus d'un sondage 21 foré dans des formations terrestres sous-marines 22. Pour effectuer une exploration sismique dans le sondage à partir de la plate-forme 20, un appareil de fond 27 comprenant un géophone est suspendu dans le sondage par un câble électrique 28 passant sur des poulies accrochées dans une tour de forage 24.Les ondes acoustiques reçues par le géophone sont transmises à la surface par l'intermédiaire du câble électrique et sont traitées et enregistrées par un équipement de surface 25. Un hydrophone de référence 26 est suspendu, dans liteau, au crochet d'une grue 27 pour fournir à 11 équipement de surface un enregistrement du signal acoustique initialement émis. Une source de signaux acoustiques 30 du type canon à air précédemment décrit, est suspendu à une bouée 31 de manière à être maintenue à une profondeur d'environ 3 m. La bouée 31 est fixée au crochet de la grue 27 à l'aide d'un câble ayant suffisam- ment de mou porpermettre un mouvement vertical de la bouée avec la houle.En fonctionnement, un signal acoustique est émis par la source 30 et est reçu par lthydrophone de référence 26 et par un géophone de l'appareil de fond 23 situé dans le sondage. La source est maintenue à une profondeur constante de 9 m par la bouée 31. Ce procédé est également très utile pour des explorations sismiques dans lesquelles l'onde acoustique émise est réfléchie par des formations terrestres sous-marines et est reçue par des détecteurs acoustiques,ou hydrsphones immergés au voisinage de la surface de Il eau pour obtenir des traces de sismo- grammes. Pour ces explorations un signal émis "propre" ctest-à-dire sans bruit de bulle est très important. Pour produire le signal émis on peut utiliser un ensemble de plusieurs canons à air synchronisés maintenus à la profondeur mentionnée de 3 m. Le procédé et dispositif qui viennent d'être décrits peuvent évidemment faire l'objet de nombreuses variantes sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Procédé d'exploration sismique dans lequel on émet des signaux acoustiques par libération de gaz sous pression, dans une masse d'eau, et llon détecte des signaux acoustiques dérivés desdits signaux émis après propagation dans des formations se trouvant sous la masse d'eau, caractérisé en ce que l'on émet lesdits signaux acoustiques à une profondeur choisie pour qu'une partie dudit signal émise en premier soit renforcée et qu'une partie dudit signal émise ultérieurement soit réduite par un écho dudit signal réfléchi par la surface de l'eau. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'on émet lesdits signaux acoustiques à une profondeur choisie de manière que le double du temps de trajet acoustique depuis ladite profondeur Jusqu'en surface soit sensiblement égal à la durée de la première alternance de ladite partie émise en premier. 3. Procédé suivant la revendication 2 > caractérisé en ce que l'on émet lesdits signaux acoustiques à une profondeur comprise entre 1,5 m et 4,5 m. 4. Procédé suivant la revendication 3, caractérisé en ce que l'on émet -lesdits signaux acoustiques à une profondeur sensiblement égale à 3 m. 5. Dispositif d'exploration sismique pour la mise en oeuvre du procédé suivant l'une des revendications précédentes comprenant une source de signaux acous tiques ayant une chambre adaptée à libérer un gaz sous pression pour produire re un signal acoustique dans une masse d'eau, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour maintenir ladite source à une profondeur prédéter minée sélectionnée de manière qu'une partie du signal émise en premier soit renforcée et qu'une partie émise ultérieurement soit réduite par un écho dudit signal réfléchi par la surface de l'eau. 6. Dispositif suivant la revendication 5 > caractérisé en ce que lesdits moyens de maintien sont adaptés à maintenir ladite source à une profondeur comprise entre 1,5 m et 4,5 m. 7. Dispositif suivant la revendication 6, caractérisé en ce que lesdits moyens de maintien sont adaptés à maintenir ladite source à une profondeur sensi- blement égale à 3 m. 8. Dispositif selon ltune des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que les moyens de maintien comprennent des moyens flottants à la surface de 1 'eau, et des moyens de liaison entre lesdits moyens flottants et ladite source pour fixer ladite source à ladite profondeur prédéterminée par rapport aux dits moyens flottants. 9. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 5 à 8, caractérisé en ce que ladite source comprend des moyens pour réduire ladite partie du signal acoustique émise ultérieurement. 10. Dispositif suivant la revendication 9, caractérisé en Ôe que lesdits moyens pour réduire la partie ultérieure du signal comprennent une deuxième cham bre pour recevoir du gaz sous pression et des moyens établissant une com munication entre lesdites première et deuxième chambres pour réduire les oscillations du gaz libérer à partir de la première chambre. 11. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 5 à 10, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens pour détecter des signaux accus tiques dérivés desdits signaux émis après propagation dans des formations situées sous ladite masse d'eau. 12. Dispositif suivant la revendication 11, caractérisé en ce que lesdits moyens de détection comportent au moins un géophone suspendu dans un sondage par un câble pour détecter des signaux acoustiques propagés à travers des forma tions voisines dudit sondage.