Brevet FR2495783A1 — publié le 19820611

L'invention concerne principalement le domaine de l'exploration sismique marine. L'invention concerne plus particulièrement un moyen pour déterminer avec précision la position d'une flûte sismique marine remorquée. Dans la prospection sismique marine, un navire d'exploration remorque une flûte sismique comportant plu- sieurs détecteurs sensibles à la pression communément appe- lés hydrophonè . Une source d'énergie sismique, par exemple un canon à air ou une charge explosive, est utilisée pour propager des ondes de pression à travers l'eau, dans le fond marin sous-jacent. Une partie de l'énergie est réflé- chie par des discontinuités géologiques souterraines et est ensuite détectée par les hydrophones sous forme de variations de pression, dans l'eau environnante. L'énergie mécanique de ces variations de pression est transformée en un signal électrique par les hydrophones et ce signal est transmis, par l'intermédiaire de la flûte, à un appareil d'enregistrement placé à bord du navire. Les données re- cueillies peuvent ensuite être interprétées par l'homme de l'art afin de fournir des informations concernant les for- mations géologiques sous-marines. Pour que les signaux aient un sens, il est né- cessaire de connaître l'emplacement des hydrophones indi- viduels au moment o les ondes de pression sont détectées. Etant donné que le navire se déplace de façon continue et que la flûte peut s'étendre sur plusieurs milliers de mè- tres en arrière du navire, il est difficile de localiser avec précision les hydrophones de la flûte. Divers dispositifs ont été développés pour pro- duire une information précise quant à la position du navire. Dans une application courante, plusieurs transpondeurs sous- marins génèrent des signaux de sortie ayant une fréquence unique en réponse à un signal d'interrogation provenant du navire. Le temps de parcours du signal d'interrogation et du signal de réponse du transpondeur est mesuré et la dis- tance ou l'éloignement de chaque transpondeur est calculé. La position du navire par rapport aux transpondeurs peut ensuite être déterminée par triangulation si les positions des trans- pondeurs sont connues. Cependant, il est rare que la flûte soit traînée en suivant directement la direction de la route du navire. Bien que la flûte soit reliée à l'arrière du navire, sa masse est immergée au-dessous de la surface de l'eau sous l'action de dispositifs de commande de profondeur s'éten- dant le long de la flûte. Par conséquent, la vitesse du courant transversal à la profondeur de la flûte peut être différente de celle du courant transversal affectant le na- vire, de sorte que la flûte suit le navire en formant un certain angle avec la route de ce dernier. D'autres fac- teurs, qu'il est inutile d'énumérer, peuvent également faire varier le trajet suivi par la flûte par rapport à la route du navire. Un procédé d'estimation de la position de la flû- te, décrit dans l'art antérieur, repose sur l'addition d'un réflecteur radar sur bouée de queue placé à l'extrémité de la flûte. Un équipement radar de bord peut ensuite être utilisé, lorsque la mer est dans des conditions optimales, pour localiser l'extrémité de la flûte et la position des hydrophones individuels intercalés. De tels dispositifs sont cependant, en général, peu fiables et laissent un doute quant aux données demandées. Un second procédé décrit dans l'art antérieur utilise un appareil très sensible et coûteux pour mesurer les angles d'embardée et de tangage de l'extrémité de la flûte adjacente au navire. Ces données, associées à des va- leurs de cap prises au compas magnétique le long de la flûte, et à la profondeur connue de la flûte, permettent de cal- culer empiriquement les positions des hydrophones. L'invention a pour objet un autre moyen précis pour localiser la flûte marine immergée, ce moyen étant conçu pour éliminer les inconvénients de l'art antérieur. L'invention concerne un appareil destiné à déter- miner la position d'une flûte marine immeryée, remorquée derrière un navire d'exploration. Cet appareil comporte des moyens destinés à déclencher un signal acoustique de commande à partir du navire; au moins trois transpon- deurs disposés spatialement dans des positions connues, sur le fond de la mer, afin d'établir des trajets acous- tiques distincts vers le navire et la flûte, chacun de ces transpondeurs pouvant répondre au signal de commande pro- venant du navire en émettant des impulsions acoustiques de fréquences nettement différentes; plusieurs receveurs espacés, portés par la flûte et capables de recevoir les impulsions acoustiques différentes émises par les trans- pondeurs et de relayer individuellement des signaux dis- tincts le long de la flûte vers le navire, sous la commande desdites impulsions acoustiques; un récepteur de navire capable de recevoir et de distinguer les impulsions acous- tiques différentes émises par les transpondeurs; et des moyens destinés à mesurer l'intervalle de temps entre le déclenchement du signal de commande et la réception des si- gnaux relayés par les récepteurs espacés, renfermés dans la flûte et l'intervalle de temps entre le déclenchement du si- gnal de commande et la réception des impulsions des trans- pondeurs par le récepteur du navire. Les transpondeurs sont de préférence placés sui- vant une relation non colinéaire et chaque récepteur de la flQte est desservi par un canal indépendant, logé dans la flûte, afin de relayer des signaux vers le navire. Les récepteurs peuvent être actifs ou passifs, mais ils sont de préférence passifs afin d'en minimiser le poids et le coût. L'appareil peut comporter également des moyens des- tinés à mesurer la vitesse du navire par rapport au réseau de transpondeurs placés sur le fond de la mer. Ces moyens de mesure de la vitesse du navire peuvent comprendre un dispositif destiné à mesurer les variations de fréquence, par effet Doppler, des impulsions générées par les trans- pondeurs. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemple nullement limitatif et sur lequel: la figure 1 est une vue schématique montrant un réseau de transpondeurs par rapport à un navire d'exploration de surface remorquant une flûte marine; et la figure 2 est une vue schématique montrant l'effet du déplacement du navire sur les trajets acous- tiques entre le navire et un transpondeur. Selon l'invention, il faut mettre en place plu- sieurs transpondeurs acoustiques sur le fond de la mer ou à proximité du fond Les transpondeurs sont de préfé- rence placés sur le fond de la mer, en réseaux non co- linéaires constitués chacun d'au moins trois transpondeurs. Chaque transpondeur d'un triplet donné est de préférence placé à une distance suffisante des autres transpondeurs pour établir une portée convenant aux récepteurs du navire et de la flûte dans une profondeur d'eau donnée. Bien que la présente invention concerne la localisation du navire et de la flûte par rapport à un réseau donné et non par rap- port à la localisation géographique réelle, cette dernière relation peut être établie une fois que l'on connait l'em- placement des transpondeurs. Des procédés bien connus sont décrits dans l'art antérieur pour déterminer l'emplacement des transpondeurs et leur étalonnage et il est donc inutile d'y revenir. La figure 1 représente un seul réseau de trois transpondeurs acoustiques, indiqués d'une manière générale par les références numériques 10, 12 et 14, ces transpon- deurs étant placés sur le fond 16 de la mer. Un navire 18 d'exploration est représenté à la surface, remorquant une flûte marine 20. Des transpondeurs du type demandé sont disponi- bles dans le commerce et comprennent normalement une pla- que de base 22 reposant sur le fond de la mer, et un câ- ble 24 fixé entre la plaque de base 22 et le corps 26 du transpondeur. Un flotteur 28,relié au corps 26 du trans- pondeur au moyen d'un câble 30, maintient ce corps 26 à une certaine hauteur au-dessus du fond de la mer, cette hauteur étant déterminée par la longueur du câble 24. Le flotteur 28 constitue également un moyen de récupération en cas de rupture du cable 24. Le navire 18 est équipé d'un émetteur acoustique 32 qui émet des signaux acoustiques de commande ou d'interro- gation, à travers l'eau, vers les transpondeurs et qui, en retour, reçoit des signaux de réponse. Tous les transpondeurs du réseau répondent de préférence à un signal d'une seule fréquence émis par l'émetteurrécepteur du navire. Cependant, des signaux codés peuvent être produits pour commander les transpondeurs individuels à partir du navire, si cela est souhaité. La flûte marine 20 est immergée au-dessous de la surface de l'eau au moyen de plusieurs dispositifs classi- ques de commande de profondeur (non représentés) et elle renferme normalement des hydrophones (non représentés) et des capteurs de profondeur (non représentés) qui peuvent être interrogés à partir du navire pour l'obtention d'in- formations. De plus, la flûte renferme également plusieurs récepteurs acoustiques 34 espacés sur sa longueur. Ces ré- cepteurs 34 sont capables de détecter les signaux produits par les transpondeurs et de relayer des réponses identi- fiables le long de la flûte vers le navire. Normalement, la flûte possède des canaux individuels s'étendant de cha- que récepteur jusqu'au navire afin de transmettre l'infor- mation. Bien que les récepteurs puissent être actifs ou ali- mentés, il est préférable qu'ils soient passifs. Pour déterminer la position des récepteurs 34 et, par conséquent, de la flûte, l'émetteur-récepteur acoustique 32 du navire est déclenché afin d'émettre un signal acous- tique de commande. A la réception du signal, après le dé- lai de transmission dans l'eau, chaque transpondeur émet une impulsion acoustique d'une fréquence distincte. Ces impulsions sont détectées par l'émetteur-récepteur 32 et par les récepteurs acoustiques 34 logés dans la flate. Pour plus de clarté, seule la figure 1 représente les trajets des signaux acoustiques, en traits pointillés, pour l'émet- teur-récepteur du navire, les transpondeurs et un seul récepteur de la flûte. Il est cependant évident que des trajets analogues peuvent être tracés pour chacun des ré- cepteurs logés dans la flûte. Les flèches I, 12 et 13 représentent l'impulsion de commande qui se déplace, selon les lignes pointillées, du navire jusqu'aux transpondeurs les flèches R1, R2 et R représentent les impulsions de ré- ponse des transpondeurs vers le navire; et les flèches R'1, R'2 et R'3 indiquent les trajets parcourus par les im- pulsions vers le récepteur logé dans la flûte. Etant donné que les positions spatiales des transpondeurs sur le fond de la mer et la vitesse du son dans l'eau sont connues, la position du récepteur peut être déterminée par triangula- tion, sachant le temps de parcours de chaque impulsion à partir de son transpondeur. Des moyens appropriés sont prévus à bord du na- vire pour mesurer l'intervalle de temps entre l'émission du signal de commande et la réception des impulsions provenant des transpondeurs et des récepteurs. La figure 2 représente un navire unique se dé- plaçant sur la surface de l'eau, à un instant T0 puis à un instant Tl. Comme montré, l'émetteur-récepteur du navire émet à l'instant T une impulsion qui se déplace en ligne droite, suivant le trajet indiqué, vers le transpondeur. A la réception du signal, à l'instant Td, le transpondeur émet une impulsion qui est détectée par l'émetteur-récepteur du navire au temps T1. On peut déterminer, à partir de cette figure, que l'instant Td est donné par la formule (T - T) - T-= T + O (1+ d O -C o v est la vitesse du navire par rapport au transpondeur et c est la vitesse de propagation des impulsions acoustiques. Le rapport v peut être déterminé d'un certain nombre de manières. c Cependant, un procédé préféré repose sur la mesure de la variation, par effet Doppler, de la fréquence reçue du transpondeur. Il est évident que pour déterminer ainsi la vitesse, les transpondeurs doivent pouvoir produire des impulsions à des fréquences très sta- bles et le récepteur du navire doit pouvoir mesurer la variation apparente de fréquence. Le rapport peut également être calculé à partir du rythme de variation de la distance dans la direction des transpondeurs et du navire. Ce rythme de variation de la distance peut être déterminé aisément sachant la posi- tion et la vitesse du navire par rapport aux transpon- deurs. Le rapport v/c pour des vitesses normales du na- vire, au cours d'opérations sismiques, est habituellement inférieur à 0, 002, carv est d'environ 3 mètres par seconde et c est d'environ 1 500 mètres par seconde. Si l'on né- glige le terme v/c, on a: (Ti - T0 T =T + 2 d 0 2 avec une erreur inférieures 0,2 %. Une erreur de cette am- plitude peut être acceptable aux profondeurs de la mer auxquelles on travaille dans l'industrie pétrolière, pour certains types d'opérations sismiques. Connaissant l'instant Td d'émission des impul- sions par les transpondeurs et le temps mesuré de détec- tion des impulsions par les récepteurs de la flate, tels que transmis au navire on peut calculer la distance de chaque transpondeur à chaque récepteur. Ces distances peu- vent ensuite être traitées par triangulation pour donner la position de chaque récepteur dans une flGte, en temps réel, à l'aide d'un calculateur embarqué ou à partir des données enregistrées, au cours d'une analyse effectuée au retour de la mission. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées à l'appareil et au procédé dé- crits et représentés sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Appareil pour déterminer la position d'une flûte marine immergée (20) remorquée par un navire (18) d'exploration, caractérisé en ce qu'il comporte un mo- yen (32) destiné à déclencher un signal acoustique de commande à partir du navire, au moins trois transpondeurs (10, 12, 14) disposés spatialement dans des positions con- nues sur le fond de la mer afin d'établir des trajets acoustiques distincts avec le navire et la flûte, chaque transpondeur pouvant répondre au signal de commande pro- venant du navire en émettant des impulsions acoustiques d'une fréquence distincte et différente de celle des au- tres transpondeurs, plusieurs récepteurs espacés (34), portés par la flûte et pouvant recevoir les impulsions acoustiques différentes émises par les transpondeurs et pouvant relayer individuellement des signaux distincts le long de la flûte vers le navire, en réponse auxdites im- pulsions, un récepteur (32) placé à bord du navire et pou- vant recevoir et distinguer les impulsions acoustiques différentes émises par les transpondeurs et des moyens (32) destinés à mesurer l'intervalle de temps entre le dé- clenchement du signal de commande et la réception des si- gnaux relayés par les récepteurs espacés le long de la flûte, ainsi que l'intervalle de temps entre le déclench.e- ment du signal de commande et la réception des impulsions par le récepteur du navire. 2. Appareil selon la revendication 1, caracté- risé en ce que les transpondeurs ont une disposition non colinéaire. 3. Appareil selon la revendication 1, caracté- risé en ce-que les récepteurs sont passifs. 4. Appareil selon la revendication 1,caracté- risé en ce que chaque récepteur de la flûte est desservi par un canal indépendant passant dans la flûte afin de relayer des signaux vers le navire. 5. Appareil selon la revendication 1, caracté- risé en ce qu'il comporte en outre des moyens (32) desti- nés à mesurer la vitesse du navire par rapport aux trans- pondeurs. 6. Appareil selon la revendication 5, caracté- risé en ce que les moyens de mesure de la vitesse du na- vire comprennent un élément destiné à mesurer la varia- tion, par effet Doppler, de la fréquence des impulsions produites par les transpondeurs. 7. Procédé pour déterminer la position d'une flûte marine immergée (20), remorquée par un navire (18) d'exploration, caractérisé en ce qu'il consiste à produire un signal acoustique de commande à partir du navire, à transmettre ce signal acoustique de commande à au moins trois transpondeurs (10, 12, 14) disposés spatialement dans des positions connues sur le fond de la mer et qui, en réponse au signal acoustique de commande, émettent des impulsions acoustiques de fréquences nettement différentes, à détecter les impulsions acoustiques de réponse des trans- pondeurs au moyen de plusieurs récepteurs espacés (34), portés par la flûte (20) et qui relayent les signaux dis- tincts le long de cette flûte vers le navire, en réponse auxdites impulsions, à recevoir et distinguer les impul- sions acoustiques des transpondeurs au navire et à mesurer l'intervalle de temps entre la génération du signal acous- tique de commande et la réception des signaux relayés par les récepteurs espacés le long de la flûte, ainsi que l'in- tervalle de temps entre la génération du signal de commande et la réception des impulsions au navire. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il consiste également à mesurer la variation, par effet Doppler, de la fréquence des impulsions émises par les transpondeurs.