Brevet FR2398317A1 — publié le 19790216

La présente invention concerné les procédés et les dispositifs d'exploration sismique sous-marine, et concerne plus particulièrement les réseaux de sources et de récepteurs présentant une directivité verticale. l'énergie sismique utilisée en exploration sismique sous-marine peut etre engendrée par un réseau rectiligne de sources remorquées par un navire, les câbles de reraorquage définissent un écartement fixe entre les sources. Chaque source peut être constituée par exemple par un "canon à air" qui émet dans l'eau des impulsions d'air comprimé. le brevet US 3 506 085 décrit un exemple typique de canen à air. Ces canons émettent des impulsions sismiques qui présentent une certaine caractéristique de fréquence, comprenant une fréquence inférieure, une fréquence supérieure et une fréquence prédominante pour l'énergie sismique, dans chaque impulsion. le navire remorque également une flûte marine comprenant un certain nombre d'hydrophones qui détectent l'énergie sismique réfléchie par les forrnations sous-marines. les dispositifs d'exploration sismique qui présentent une distance importante entre les sources et les hydrophones sont soumis à un bruit de forte amplitude, engendré par les sources, qui se propage presque horizontalement. On peut montrer qu'il existe une distance critique à partir de la source, qui est déterminée par la vitesse de propagation du son dans l'eau, et dans le sol sous-marin. Au-delà de cette distance critique, l'énergie subit une réflexion totale et se propage horizontalement, I1 est souhaitable d'utiliser des sources et des récepteurs qui permettent de rejeter les signaux correspondint à cette propagation horizontale. Dans l'art anterieur, la longueur du réseau et l'écartement entre ses éléments sont déterminés par la fréquence prédominante de l'impulsion sismique. Ces techniques assurent une directivité pour l'énergie correspondant à la fréquence prédominante, mais ne donnetit;pas une bonne directivité sur la largeur de bande étendue de l'impulsion sismique. Par exemple, dans le brevet US 3 479 638, l'écartement entre les sources est un multiple de la moitié de la longueur d'onde correspondant à la fréquence désirée. Dans le brevet US 3 613 823, la longueur du réseau est supérieure à une longueur d'onde correspondant à la fréquence prédominante. Ces solutions ne donnent pas une bonne directivité sur la bande de fréquence étendue de l'impulsion sismique. Conformément à l'invention, on utilise des réseaux de sources et de détecteurs présentant une directivité verticale, pour rejeter le bruit qui est engendré par les sources et qui se propage horizontalement, en exploration sismique sous-marine On obtient une directivité verticale sur la bande de fréquence étendue de l'impulsion sismique à l'aide de réseaux horizontaux de sources et de récepteurs qui ont une longueur supérieure à la longueur d'onde de la plus basse fréquence de l'impulsion sismique. l'écartement entre les éléments du réseau est inférieur à la longueur d'onde correspondant à la plus haute fréquence de l'impulsion sismique. On peut modifier la directivité du réseau de sources en modifiant le retard entre le déclenchement des différentes sources du réseau. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'un exemple de réalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels: les figures I et 2 montrent le dispositif dlexplora- tion sismique sous-marine correspondant à l'invention: la figure 3 montre la caractéristique de fréquence d'une source sous-marine typique; La figure 4 montre la directivité d'un réseau rectiligne de sources sismiques; la figure 5 montre la réponse d'un réseau rectiligne à seize éléments; et la figure 6 montre le diagramme de réponse polaire d'un réseau rectiligne. On se reportera maintenant aux figures 1 et 2 qui représentent un dispositif d'exploration sismique sous-marine. Un navire 11 parcourt un chemin d'exploration sismique pour explorer la formation souterraine 12 qui se trouve au dessous de l'étendue d'eau 13. Un réseau horizontal rectiligne de sources sismiques 14, 15, 16 > etc, est remorqué par le navire à l'aide du câble 17. les flotteurs de surface 18, 19, 20, etc, contribuent à maintenir un écartement uniforme entre les sources, le navire remorque également une flûte marine 21 qui comporte un certain nombre d'hydrophones. T.e premier hydrophone du réseau peut être positionné en un point quelconque à partir du navire. La position idéale du premier hydrophone est située exactement en face du centre du réseau de sources. Une bouée de support en surface 22 contribue à maintenir la relation correcte entre la flûte et le réseau de sources. Ces deux éléments sont séparés l'un de l'autre par une distance désignée par la flèche 23 Cette distance de séparation est telle que les hydrophones de la flatte 21 sont soumis à du bruit qui se propage horizontalement à partir du réseau de sources. les sources de ce réseau peuvent etre constituées par n'importe quel type classique de canon à air, comme par exemple celui décrit dans le brevet tTS 3 506 085. Dans un tel canon, un signal électrique actionne une électrovanne pour permettre une libération brutale de l'air comprimé contenu dans une chambre du canon, ce qui produit une impulsion sismique dans l'eau. les canons à air de ce type ont une capacité caractéristique de l'ordre de 1,3 à 3,3 litres. la figure 3 montre la caractéristique de fréquence de l'impulsion sismique qui est produite par un canon à air typique, et représente l'amplitude de l'impulsion sismique acoustique en fonction de la fréquence. Cette figure montre que la plus basse fréquence de l'impulsion sismique est de 10 Hz, la plus haute fréquence est de 100 Hz, et la fréquence prédominante est de 30 Hz.Il est souhaitable que le réseau de sources comme le réseau d'hydrophones présentent une directivité verticale, pour rejeter le bruit qui se propage horizontalement, et pour que les hydrophones fournissent la réponse maximale sur l'ensemble du spectre étendu de l'impulsion sismique, tel que celui représenté sur la figure 3. les tentatives qui ont été faites dans l'art antérieur pour augmenter au maximum la réponse des hydrophones à l'impulsion sismique donnent au réseau de sources une configuration qui permet d'obtenir une réponse maximale pour la fréquence pr.domi- nante, par exemple 30 Hz, de l'impulsion sismique représentée sur la figure 3. Conformément à ltinvention, la longueur 24 du réseau (voir figure 1) est supérieure à la longueur d'onde de la plus basse fréquence de l'impulsion sismique. Par exemple, lorsqu'on utilise des canons à air qui ont la caractéristique de fréquence représentée sur la figure 3, et si l'on suppose que la vitesse du son dans l'eau est de 150Ô,ni/s, la longueur du réseau doit être nettement supérieure à 1500/1Q = 150 m. En outre, conformément à l'invention, l'écartement entre les éléments du réseau, désigné par la flèche 25 sur la figure 1, doit être inférieur à la longueur d'onde correspondant à la plus haute fréquence présente dans l'impulsion. En consrdé- rant encore l'exemple du canon à air qui a la caractéristique de fréquence de la figure 3, cet écartement doit etre inférieur à 1500/100 = 15 m. Dans un exemple de mise en oeuvre de llinvention, la longueur totale du réseau est de 240 m, ce qui est nettement supérieur à 150 m. Le réseau comporte 16 canons placés à des intervalles de 15 m. Les hydrophones de la flûte marine 21 peuvent avoir le meme écartement et la même longueur de réseau. es raisons pour lesquelles de tels réseaux présentent une directivité verticale et assurent une bonne réponse sur la largeur de bande étendue de l'impulsion sismique ressortiront des considérations suivantes. On peut décrire les réseaux directifs en considérant la figure 4. La directivité du réseau est définie par la durée AT qui est la durée nécessaire pour qu'une impulsion sismique partant de la source 26 atteigne le point 27. Autrement dit, c'est la durée nécessaire pour qu'une impulsion sismique partant d'une source située à une extrémité du réseau atteigne le front d'onde plan des impulsions provenant d'autres sources. AT est donné par la relation :: Dans la relation ci-dessus, n désigne le nombre d'éléments du réseau, ssX désigne l'écartement entre les éléments, / désigne l'angle entre la verticale et la traåeetoire de l'impulsion, Vw désigne la vitesse de l'impulsion sismique dans l'eau, et désigne le retard entre les instants de déclenchement de chaque source. La fréquence de l'impulsion sismique est 1/T. Pour le réseau horizontal de sources considéré, on doit avoir ) = 0 pour obtenir une directivité verticale maximale. La réponse en régime permanent, pour un tel réseau linéaire de sources7 est donnée par Cette réponse est reprisent sur la figure 5. En pratique, on détermine la réponse du dispositif en fixant ss et Vw, et en calculant AT à partir de l'équation (1). Dans exemple considéré, hT = (240) (- cos#). Avec ce retard tut 1500 on affecte divers T ou diverses fréquences pour former le rapportAT/T. Connaissant les valeurs de AT/T, on détermine la réponse à partir de l'équation (2) ou à partir de la courbe de réponse de la figure 5.On peut dresser un tableau à partir de ees valeurs, et tracer un jeu de courbes de réponse en coordonnées polaires, comme il est représente sur la figure 6. la figure 6 montre la réponse d'un réseau rectiligne horizontal comportant 16 éléments avec un écartement de 15 m, et un retard nul entre les sources. le diagramme de réponse polaire montre le niveau relatif de l'énergie sismique pour une fréquence donnée qui se propage selon différents angles, comparée à celle qui se propage à partir d'une source ponctuelle. Une source ponctuelle présente un diagramme de réponse polaire qui est caractérisé par le cercle d'amplitude 7,0. On notera que pour des valeurs de T très élevées, la plage de valeurs de 8'/T est comprise entre 0 et 1. lorsque T diminue, # T/T augmente au-delà de 1, et il apparat des lobes secondaires sur le diagramme de réponse polaire (courbe en pointillés). les courbes sont symétriques par rapport à l'axe = = 00, dans le cas # = 0. Bes roseaux horizontaux correspondant à l'invention conviennent particulièrement lorsque les sources sont déclenchées par groupes séparés, pour produire une impulsion sismique présentant une caractéristique temporelle qui correspond à l'inverse de l'effet de distorsion produit par la réverbération dans la couche d'eau. Cette technique est décrite dans la demande de brevet des Pays-Bas N 7601413. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent etre apportées au dispositif décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. R9,Vr > NDICitTI()NS 1. Dispositif d'exploration sismique sous-marine comprenant : un navire; plusieurs sources d'énergie sismique, chaque source produisant des impulsions sismiques dont lténergie est répartie sur une plage de fréquence étendue, comprenant une fréquence inférieur?, une fréquence supérieure, et une fréquence prédominante1 pour chaque impulsion: plusieurs hydrophones destinés à détecter les impulsions sismiques réfléchies; et des moyens pour remorquer les sources et les hydrophones derrière le navire sous la forme de réseaux rectilignes horizontu , avec un écartement fixe entre les sources, un écartement fixe entre les hydrophones, et une distance de séparation donnée entre le réseau de sources et le réseau d'hydrophones, caractérisé en ce que la longueur de l'un au moins des réseaux est supérieure à la longueur d'onde de la fréquence inférieure des impulsions sismiques, et en ce que l'écartement entre les éléments du réseau est inférieur à la longueur d'onde de la fréquence supérieure des impulsions sismiques. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la longueur du réseau de sources est supérieure à la longueur d'onde de la fréquence inférieure des impulsions sismiques, et en ce que l'écartement entre les sources est inférieur à la longueur d'onde de la fréquence supérieure des impulsions sismiques. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la longueur du réseau d'hydrophones est supérieure à la longueur d'onde de la frequence inférieure des impulsions sismiques, et en ce que l'écartement entre les hydrophones est inférieur à la longueur d'onde de la fréquence supérieure des impulsions sismiques. 4. Dispositif d'exploration sismique sous-marine, comprenant un navire; plusieurs sources dténergie sismique, chaque source engendrant des impulsions sismiques dont l'énergie est répartie sur une plage de fréquence étendue comprenant une fréquence inférieure, une fréquence supérieur une fréquence prédominante, pour chaque impulsion; et des moyens pour remorquer les sources derrière le navire, sous la forme d'un réseau rectiligne avec un écartement fixe entre les sources; earactzrisé en ce que la longueur du réseau de sources est supérieure à la longueur d'onde de la fréquence inférieure des impulsions sismiques, et en ce que ltécartement entre les sources est inférieur à la longueur d'onde de la fréquence supérieure des impulsions sismiques. 5. Dispositif d'exploration sismique sous-marine, comprenant: un navire: une source d'énergie sismique qui engendre des impulsions sismiques dont l'énergie est répartie sur une plage de fréquence étendue comprenant une fréquence inférieure, une fréquence supérieure et une fréquence prédominantie, pour chaque impulsion; et plusieurs détecteurs sismiques constituant un réseau rectiligne remorqué par le navire, avec un écartement fixe entre les détecteurs; caractérisé en ce que la longueur du réseau est supérieure à la longueur d'onde de la fréquence inférieure des impulsions sismiques, et en ce que l1écartement entre les détecteurs est inferieur à la longueur d'onde de la fréquence supérieure des impulsions sismiques.