Brevet FR2489530A1 — publié le 19820305

La présente invention concerne les explorations sismiques et, plus particulièrement, les explorations dans lesquelles on souhaite supprimer les réflexions fantômes dues aux ondes de raré- faction se déplaçant vers le bas. De manière classique, l'exploration sismique terrestre et marine utilise des géophones ou des hydrophones qui produisent un signal sous l'effet de la pression. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 3 346 838 décrit un exemple de détecteur sensible à la pression. Un autre type de détecteur réagit à la vitesse des particules du milieu entourant le détecteur. Selon le brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 2 982 942, trois détecteurs sensibles à la vitesse sont montés dans une station d'écoute. Un détecteur sensible à la pression est placé au même endroit. Les signaux de ces détecteurs donnent l'amplitude et la direction de l'énergie acoustique frappant les détecteurs. Dans l'exploration sismique, l'énergie est réfléchie par des interfaces souterraines et on la détecte pour produire des sismogrammes. On veut n'enregistrer que les réflexions primaires, qui sont des ondes de compression se déplaçant vers le haut par suite d'une réflexion de l'énergie sismique sur une interface sou- terraine. D'autres réflexions telles que les réflexions multiples et fantômes embrouillent le sismogramme. Une réflexion particu- lièrement gênante est constituée par la réflexion fantôme renvoyée par la surface. La réflexion fantôme se déplace vers le bas sous la forme d'une onde de raréfaction. Selon l'invention, on supprime les réflexions fantômes en combinant les signaux de sortie de détecteurs de pression et de vitesse. L'invention propose un dispositif de détection sismique permettant de suprimer les réflexions fantômes relatives aux ré- flexions primaires dans l'exploration sismiqueo une réflexion primaire est due à une onde de compression se déplaçant vers le haut et une réflexion fantôme est due à une onde de raréfaction se déplaçant vers le bas à partir de la surface, le dispositif comprenant: un détecteur de pression qui produit un signal positif en réponse à une onde de compression se déplaçant vers le haut et un signal négatif en réponse à une onde de raréfaction se déplaçant vers le bas; un détecteur de vitesse qui produit un signal positif en réponse à une onde de compression se déplaçant vers le haut et un signal positif en réponse à une onde de raréfaction se déplaçant vers le bas; des moyens de filtrage permettant de modifier le contenu de fréquence d'au moins l'un des signaux de façon à annuler les signaux produits par la réflexion fantbme; des moyens d'addition des signaux des détecteurs de pression et de vitesse, grâce auxquels on annule sensiblement les signaux produits en réponse à la réflexion fantbme; et des moyens permettant de disposer les détecteurs de pression et de vitesse à proximité immédiate d'une ligne d'explora- tion sismique. De préférence, ce dispositif comprend en outre un moyen permettant de modifier les gains des signaux afin d'annuler les signaux produits en réponse à la réflexion fantûme. De manière avantageuse, les moyens de filtrage possèdent un opérateur de décon- volution qui est l'inverse de la distorsion introduite par les détecteurs de pression et de vitesse. Selon l'aspect de l'invention, on place une série de plusieurs détecteurs sur le fond de l'océan dans un système d'explo- ration sismique sous-marine. On apparie les détecteurs à raison d'un détecteur de pression et d'un détecteur de vitesse dans chaque paire. Les détecteurs de pression produisent un signal positif en réponse aux ondes de compression se déplaçant vers le haut et un signal négatif en réponse aux ondes de raréfaction se déplaçant vers le bas. Le détecteur de vitesse produit un signal positif en réponse aux ondes de compression se déplaçant vers le haut et un signal positif en réponse aux ondes de raréfactions se déplaçant vers le bas. On soumet ces signaux à un filtrage inverse au moyen de filtres qui onL les caractéristiques inverses de la réponse d'impulsion des distorsions de chaque signal. Les signaux de ces filtres comportent des impulsions positives pour la réponse des deux détecteurs aux ondes de compression se déplaçant vers le haut et une réponse d'im- pulsion positive, par le détecteur de vitesse, à l'onde de raréfaction se déplaçant vers le bas, ainsi qu'une réponse d'impulsion négative, par le détecteur de pression, à l'onde de raréfaction se déplaçant vers le bas. Cette impulsion négative annule la réponse d'impulsion positive du détecteur de vitesse vis-à-vis de la réflexion fantôme. La description suivante, conçue à titre d'illustration de l'invention, vise à donner une meilleure compréhension de ses caractéristiques et avantages; elle s'appuie sur les dessins annexés, parmi lesquels - la figure 1 montre un système d'exploration sismique sous-marine; - les figures 2A et 2B illustrent respectivement les réponses d'un détecteur de pression et d'un détecteur de vitesse; - la figure 3 montre les détecteurs de pression et de vitesse combinés, les filtres et les moyens de modification de gain; - les figures 4A à 4C montrent les réponses d'impulsion des deux filtres et la réponse d'impulsion du signal combiné dans le domaine de la fréquence; et - les figures 5A à 5C sont des représentations tempo- relles des figures 4A à 4C. Comme on peut le voir sur la figure 1 des dessins, un navire Il remorque des sources d'impulsions sismiques sous-marines 11A à llD le long d'une ligne d'exploration. Des détecteurs sismiques 14 à 17 sont placés au fond de l'océan. L'énergie sismique venant des sources 1LA à llD est envoyée en direction du fond 12 et est réflé- chie par une interface souterraine 13. La série de détecteurs 14 à 17 détecte les réflexions. Chaque détecteur comporte un détecteur de pression 14a à 17a et un détecteur de vitesse 14b à 17b (voir figure 3). L'énergie sismique réfléchie par l'interface 13 se déplace suivant la trajectoire 18. Cette réflexion primaire est une onde de compression se déplaçant vers le haut. Pour comprendre les différences de polarité de l'effet de profondeur sismométrique, on considère une impulsion de pression positive 18 se déplaçant verticalement vers le haut depuis l'inter- face 13 en direction du détecteur 14 se trouvant à une profondeur d audessous de la surface de l'eau. A un instant t = 0, l'impulsion arrive au détecteur 14. Elle poursuit son chemin jusqu'à la surface o elle est réfléchie et revient au détecteur 14 à un instant rd, o 1d est le temps d'aller-retour entre le détecteur 14 et la sur- face, ce qui peut être exprimé de la manière suivante Ir= 2d/c, o c est la vitesse de propagation de l'impulsion dans l'eau. La surface de l'eau est une surface libre, si bien que les conditions aux limites imposent une pression totale nulle. Si l'amplitude de l'onde montante 18 est a et celle de l'onde descendante 19 est a2, les conditions aux limites peuvent s'écrire de la manière suivante a + a2 =0. Par conséquent, l'amplitude de l'impulsion descendante est -al, ce qui est l'état ordinaire de l'inversion de polarité à la réflexion d'une surface libre. La réponse du détecteur de pression 14a se trouvant à la profondeur d visà-vis d'une onde montante est donc une paire d'impulsions, dont l'une est positive à t=0 et l'autre est négative à t=T, comme cela est illustré sur la figure 5A. La réponse du détecteur de vitesse 14b est quelque peu différente. Les conditions aux limites de la surface sont que les vitesses montante et descendante peuvent être égales, soit, en d'autres termes, que la vitesse double à la surface. La vitesse montante s'écrit sous forme d'un vecteur el et la vitesse descendante sous celle d'un vecteur t2 et il existe l'égalité suivante 81 V2 La réponse du détecteur de vitesse à la profondeur d est donc donnée par une paire d'impulsions d'unités du même signe, séparées par une durée Td, ainsi que cela est illustré sur la figure 5B. L'autre partie de l'effet des couches d'eau est le train de réverbération et est identique pour les deux types d'hydrophones. La réponse à la réflexion sur la surface est différente pour les deux détecteurs, comme cela est illustré sur les figures 2A et 2B. Il est intéressant de noter que, pour des réponses idéales à la réflexion sur la surface, si l'on enregistre, on étalonne et on additionne les signaux des deux hydrophones, alors l'effet de pro- fondeur de l'hydrophone doit s'annuler pour les ondes se déplaçant verticalement. Les réponses d'impulsion des réflexions à la surface de l'eau pour les deux hydrophones ont un effet de filtrage de fréquence que l'on peut facilement examiner en prenant la trans- formée de Fourier des réponses. Pour la transformée de la réponse du détecteur de vitesse, on annote G (f), o v -2TifT e d G (f) = 1 + e v d'iff d'ifr - if'rd =e (e d+e -Tlifrd (2ee =(2e d)coswffd, et, pour la transformée de la réponse du détecteur de pression, on annote Gh(f) o: 2Tif d Gh(f) = 1 - e d -4'bflifd ifd = e (e d-e) -4ifT =(2ie d)sinfT d. d -ifil La phase est donc constituée de plusieurs parties. Le facteur e est commun aux deux et ne produit aucun déphasage entre les deux. On peut le considérer comme un composant de phase linéaire qui décale le filtre à partir d'une étendue temporelle symétrique autour de t=O pour en faire un filtre causal, le décalage étant de td/2 dans le temps. La composante de phase du détecteur de vitesse qui est associée à cosrffd est nulle jusqu'à la première annulation du cosinus, puis elle vautirjusqu'à la deuxième annulation, et ainsi de suite. La transformée de la réponse du détecteur de pression est purement imaginaire et est donc associée à un déphasage de 90 . La composante sinlffd produira aussi des déphasages de r aux passages par zéro. On obtient les deux spectres d'amplitude à partir de l'am- plitude des transformées de Fourier: |G (f) | =T (l+cos2trrd)1/2 = 2 |cosfiTdi, fGh(f) t = > (l-cos2lrf'rd) 1/2 = 2 a sid'rd Des graphes des réponses d'amplitude sont présentés sur la figure 4A et 4B. Sur la base des spectres d'amplitude, on peut noter que la réponse de basse fréquence du détecteur de vitesse est beaucoup plus grande que celle du détecteur de pression, si bien que l'on prévoit qu'un plus grand contenu de basse fréquence sera probable sur l'enregistrement de l'hydrophone de vitesse. On note également que le déphasage entre les deux types d'hydrophones est de 900, mais qu'il commence par une avance de 900 pour le détecteur de pression à f = O et saute à un retard de 90 au premier zéro de la réponse du détecteur de vitesse. Dans la gamme de fréquence intéressant les données sismiques de réflexion, l'effet de filtrage de la profondeur des hydrophones produit un déphasage apparent de 90 pour les données. L'effet de filtre correspondant à la profondeur des sismomètres n'est pas à la phase minimale. Pour les Dow types de détecteur, il y a un zéro sur le cercle unité du domaine de la trans- formée z. Ceci implique qu'il n'existe pas d'inverse stable. Toute- fois, même pour le réflecteur de surface parfait idéalisé, on peut obtenir une bonne approximation en stabilisant un opérateur de déconvolution au moyen de l'addition d'une faible quantité de bruit blanc au retard zéro de la fonction d'autocorrélation avant le calcul de l'opérateur. De plus, le coefficient de réflexion efficace à la surface est probablement d'une amplitude inférieure à l'unité, puisque la surface de l'eau est quelque peu irrégulière en raison de l'action des vagues. Ceci signifie que l'effet de profondeur réel n'est pas précisément un déphasage de 90 et qu'il est une phase minimale. Une déconvolution de phase minimale (déconvolution de pointe ou Flatiron) doit compenser de façon raisonnable l'effet de profondeur et doit donc retirer le déphasage apparent de 90 tout en compensant les effets d'amplitude. Ainsi que cela a précédemment été établi, le détecteur de pression 14a produit un signal tel que celui présenté sur la fi- gure 2A, et le détecteur de vitesse 14b produit un signal du type représenté sur la figure 2B. En réponse à l'onde de compression se déplaçant vers le haut (réflexion primaire), le détecteur de pression produit un signal positivement orienté 20, et le détecteur de vitesse produit un signal négativement orienté 21. L'onde de compression est réfléchie par la surface et redescend par la trajectoire 19 sous forme d'une onde de raréfaction. En réponse à cette onde de raréfaction se déplaçant vers le bas, le détecteur de pression produit un signal négativement orienté 22, et le détecteur de vitesse produit un signal positivement orienté 23. On peut utiliser pour la mise en oeuvre de l'invention des détecteurs de pression et de vitesse disponibles sur le marché. Des détecteurs différents présentent différentes réponses de fréquence et d'amplitude aux signaux détectés. Malheureusement, les figures 2A et 2B sont des simplifications excessives de la réponse de ces dé- tecteurs aux réflexions primaire et fantôme détectées. Il est donc nécessaire de filtrer et d'ajuster les amplitudes des signaux des deux détecteurs pour réussir à annuler les réflexions fantômes. Comme le montre la figure 3, le détecteur 14 comporte un détecteur de pression 14a et un détecteur de vitesse 14b. Le détecteur 16 comporte un détecteur de pression 16a et un détecteur de vitesse 16b. Le détecteur 17 comporte un détecteur de vitesse 17b et un détecteur de pression l7a. Les signaux de sortie de ces détecteurs sont appliqués aux filtres 24 à 29. Chaque filtre présente des caractéristiques qui sont spécifiées dans les réponses des figures 4A à 4C et 5A à 5C. La figure 4A montre le domaine de fréquence du signal de sortie d'un détecteur de pression après qu'il a été filtré par le filtre 24 par exemple. La figure 4B montre le domaine de fréquence du signal de sortie d'un détecteur de vitesse après filtrage par le filtre 25. Pour obtenir des filtres ayant les caractéristiques présentées sur les figures 4A et 4B, il est nécessaire de mesurer-la réponse de fréquence des détecteurs réels vis-à-vis des réflexions primaires et fantômes. Après avoir mesuré les caractéristiques des détecteurs, on utilise ces mesures pour produire un filtrage inverse qui donnera la caractéristique de réponse ayant le type présenté sur les figures 4A et 4B. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 3 275 980 enseigne la manière de mettre en oeuvre de tels filtres. Un filtrage temporel est particulièrement adapté à la mise en oeuvre des filtres 24 à 29. On peut utiliser les enseignements du brevet des Etats-Unis d'Amérique n' 3 275 980 cité pour fixer des caractéristiques de filtrage telles que l'on puisse produire les réponses des figures 4A et 4B à partir des caractéristiques de réponse mesurées des détecteurs réels employés. Lorsqu'on combine les signaux filtrés ayant les réponses de fréquence présentés sur les figures 4A et 4B, on obtient le spectre de fréquence large et plat de la figure 4C. Ceci constitue une réponse très souhaitable aux réflexions primaires pour un détecteur sismique. Les figures 5A et 5B sont des représentations temporelles des signaux de sortie des filtres. Une technique permettant de déter- miner les opérateurs de déconvolution voulus des filtres et de mettre en oeuvre des filtres ayant un tel opérateur de déconvolution est présentée dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 3 274 542. Pour assurer l'annulation des réflexions fantômes, on ajuste le gain d'au moins l'un des deux signaux de sortie. A cet effet, sont prévus des amplificateurs 30 à 35 de modification de gain. On combine les signaux venant des paires de détecteurs de pression et de vitesse dans les additionneurs 36 à 38. Les signaux combinés ont une réponse d'impulsion telle que présentée sur la figure 5C. On enregistre alors ces signaux sur un support d'enregistrement 39, ainsi que cela est classique. Alors que l'invention peut être mise en oeuvre à l'aide de filtres, d'amplificateurs et d'additionneursanalogiques, une pra- tique préférée de l'invention passera par l'utilisation d'un calcu- lateur numérique, comme cela est classique dans la technique de l'exploration sismique. Les processus de filtrage, de changement de gain et d'addition numériques sont bien connus dans la technique du traitement de données sismiques numériques. Bien entendu, l'homme de l'art sera en mesure d'imaginer, à partir du dispositif dont la description vient d'être donnée à titre simplement illustratif et nullement limitatif, diverses autres va- riantes et modifications ne sortant pas du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Dispositif de détection sismique permettant de supprimer des réflexions fantômes relatives à des réflexions primaires dans une exploration sismiqueo une réflexion primaire est provoquée par une onde de compression se déplaçant vers le haut et une réflexion fan- tOme est provoquée par une onde de raréfaction se déplaçant vers le bas depuis la surface, le dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend: - un détecteur de pression (14a à 17a) qui produit un signal positif (20) en réponse à une onde de compression se dépla- çant vers le haut et un signal négatif (22) en réponse à une onde de raréfaction se déplaçant vers le bas; un détecteur de vitesse (14b à 17b) qui produit un signal positif (21) en réponse à une onde de compression se déplaçant vers le haut et un signal positif (23) en réponse à une onde de raréfaction se déplaçant vers le bas; des moyens de filtrage (24 à 29) permettant de modifier le contenu de fréquence d'au moins l'un des signaux de façon à annuler les signaux produits par la réflexion fantôme; des moyens (36 à 38) permettant d'additionner les signaux des détecteurs de pression et de vitesse, grAce à quoi on annule sen- siblement les signaux produits en réponse à la réflexion fantôme; et des moyens (11, llA à llD) permettant de placer les détecteurs de pression et de vitesse à proximité immédiate d'une ligne d'exploration sismique. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens (30 à 35) permettant de modifier les gains des signaux de manière à annuler les signaux produits en réponse à la réflexion fantôme. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens de filtrage possèdent un opérateur de déconvolu- tion qui est l'inverse de la distorsion introduite par les détecteurs de pression et de vitesse.