Brevet FR2499254A1 — publié le 19820806

La présente invention concerne les dispositifs producteurs d'impulsions sismiques sous-marines et, plus particulièrement les générateurs d'impulsions sismiques comprenant un réseau de canons à air accordés de haute pression qui font fonction de source ponctuelle hautement énergétique à large bande. Pour les explorations sismiques sous-marines, on utilise ordinairement un ensemble de sources d'impulsions à canons à air en conjonction avec un train de géophones récepteurs remorqués par un navire d'exploration sismique. Les sources d'impulsions sismiques sont conçues pour libérer brutalement de l'air sous pression élevée rayonnant de l'énergie en direction du fond de l'océan. Les géophones qui sont remorqués par le navire d'exploration sismique mesurent cette énergie après qu'elle a été réfléchie par des interfaces de formations subocêaniques. Toutefois, en plus de détecter cette énergie réfléchie, les géophones détectent également l'énergie réfractée qui s'est transportée le long du fond de l'océan avant d'émerger suivant un trajet orienté sur les géophones, aussi bien que le bruit acoustique et les impulsions sismiques arrivant directement de la source qui n'ont pas été réfléchies par des formations sous-marines mais ont rayonné directement sur le train de géophones. Dans la mise en oeuvre d'un ensemble de source à canons à air, l'un des principaux problèmes à prendre en considération est la maximisation de l'énergie rayonnée totale, qui est mesurée par l'amplitude de pression de pic de la signature de la source. Il s'agit d'un facteur crucial lorsqu'on considère le système sismique complet. En ce qui concerne l'analyse des caractéristiques de portée dynamique du système sismique, il faut considérer la source comme étant d'un seul bloc avec le système. Il est possible d'augmenter la portée dynamique effective du système pour tous les bruits qui ne sont pas produits par la source, comme par exemple les pertes de transmission et le bruit de l'environnement, par une simple augmentation de la dimension de la source. On atteint l'énergie rayonnée maximale d'un ensemble de canons à air en utilisant des canons à air de petits volumes égaux à la pression acceptable la plus élevée. On détermine le volume minimal sur la base du spectre d'impulsion acceptable. Toutefois, lorsqu'on fait appel à un réseau de canons à air de volumes égaux, une composante majeure du signal rayonné est constituée des oscillations de bulles. Alors que ces oscillations sont préjudiciables au relevé des cartes structurelles aussi bien que des cartes de détail, on les supprime de manière acceptable en opérant une déconvolution de pointe et, en théorie, on les élimine complètement par une déconvolution de signature. Il faut noter que le processus de déconvolution est efficace dans un système parfaitement exempt de bruit; toutefois, ces résultats satisfaisants de la déconvolution ne peuvent pas être espérés avec une trace sismique provenant d'une exploration de terrain faite dans un milieu soumis au bruit. Les réseaux de canons à air destinés à l'exploration sismique sous-marine rencontrent donc des problèmes importants ayant pour origine le bruit acoustique et, souvent, le bruit acous- tique déforme les données de réflexion sismique enregistrées au point de masquer des événements de réflexion. Ainsi que cela a été établi cidessus, une source principale du bruit acoustique est constituée par les oscillations de bulles; toutefois, il est possible d'éliminer leur effet en "accordant" un réseau de canons à air. "Accorder" un réseau de canons à air signifie combiner des canons à air de volumes différents en un réseau tel que chacun des volumes d'air n'a pas d'interaction avec les autres et que les dimensions globales du réseau sont suffisamment petites pour qu'il constitue une source ponctuelle ayant une part réduite d'oscillations de bulles. Giles et Johnston (Giles, B.F., Johnston, R.C. "System Approach to Air Gun Design", Geophysical Prospecting, 24 1973, 77-101) ont indiqué que la période d'oscillation d'une bulle est liée a la pression du canon à air, à la pression hydrostatique et au volume de la chambre du canon à air par l'expression (PV)113 T- cc 6(1), 46,1 P / o T est la période d'oscillation en secondes; P est la pression de la chambre du canon en livres par pouces carrés (valeur absolue); V est le volume de la chambre du canon en pouces C cubiques; et P est la pression hydrostatique en livres par pouces O carrés (valeur absolue). Cette équation de la période se déduit de l'équation de Rayleigh-Willis (Willis, H.F., "Underwater Explosions, Time Interval Between Successive Explosions", British Admiralty Report WA 47-21, 1941) pour une bulle oscillante d'énergie potentielle E,. soit (E)1/3 T - C 5--ç6 (d+33) o d est la profondeur du centre de la bulle et C est la vitesse du son locale. Cette équation doit contenir une constante d'addition pour tenir compte des propriétés physiques de canons de conception et de fabrication différentes, mais elle permet néanmoins d'établir la relation T " V 1/3 (2), C o la pression et la profondeur du canon sont des constantes. De ceci, on peut déduire T2 (Vc2) 1/3 \vcl / ' (3>, reliant les périodes de deux canons de volumes différents. Cette équation se révèle particulièrement utile puisqu'elle permet de calculer les volumes de limitation pour un réseau de canons à air accordés. L'amplitude d'impulsion d'un canon à air obéit à une équation analogue à celle de la période d'oscillation, soit l'équation (2), et peut être exprimée sous la forme A A V1/3 (4) (voir Devlin, C., "Survey of Thermal Radiation and Viscous Damping of Pulsating Air Bubbles in Water", Acoustical Societ of America Journal, 31 (1959), 1654). On peut donc exprimer l'amplitude relative de deux canons à air de la manière suivante - A zV\1/3 (5). A- = V'l2 Des vérifications expérimentales de l'équation (4) ont été réalisées par Giles et Johnston (op. cit.). L'équation de la période a également été vérifiée au travers d'innombrables mesures de signature réalisées par de nombreux expérimentateurs. Il a été expérimentalement déterminé que la relation entre l'amplitude d'impulsion et la pression du canon était la suivante A # P. (6). D'o l'on déduit A1 _ P1 A P 2 P2 pour un canon à air d'un volume particulier. Toutefois, la relation entre A et P différera pour des canons différents en raison du fait que les équations (4) et (5) dépendent du volume. Giles et Johnston ont également étudié l'interaction mutuelle entre canons à air et ont déterminé qu'il existe nettement une distance d'interaction complète, c'est-à-dire une distance entre 25. deux canons à air de petit volume tellequ'ils semblent avoir l'effet d'un unique canon à air du même volume équivalent. Les données expérimentales montrent que la distance de non-interaction acceptable (une augmentation de période de moins de 10%) est donnée par D X (PV) /3 (7). Ainsi, lorsque les pressions sont égales, D2 2(vy/3 (8). Giles et Johnson ont en outre déterminé que la distance de noninteraction pour un canon à air de 655 cm à une pression de' 13 790 kPa était de 3 m. La distance d'interaction complète est, pour le même canon, de 0,5 m. Avec cette valeur expérimentale et en utilisant l'équa- tion (8), on peut obtenir la distance de non-interaction pour d'autres volumes de canon. Comme cela a été établi ci-dessus, la procédure à suivre pour accorder un réseau 'de canons à air afin de produire une impulsion de source simple sans bulles de haute amplitude consiste à choisir des canons à air de volumes différents et à les espacer de manière qu'ils n'aient pas d'interaction entre eux. On fait le choix des volumes de façon qu'il n'apparaisse pas d'interférence constructive entre les oscillations de bulles. Une contrainte supplémentaire s'imposant au choix des volumes est que l'on souhaite obtenir une suppression de bulles donnée pour le plus petit volume possible d'air sous pression (dans un simple but d'économie). Une approche à la sélection des volumes consiste à répartir la première oscillation de bulle des canons choisis entre la période du plus petit canon et une période quelque peu plus petite que deux fois cette valeur, un tel choix étant préduit par une série de simulations qui indiquent que le rapport des volumes entre le plus grand canon et le plus petit canon doit être inférieur à 8. On choisit une durée fictive de 0,014 s à 10,67 m comme réduction d'incrément temporelle sur la période pour le plus grand canon, et ce choix reste valable pour un nombre de volumes supérieur à 4, et se révèle insensible à de petites variations de profondeur de la source. A titre de simple exemple, on a utilisé des canons à air de 2458 cm bien que les résultats indiquent que le volume du canon n'est pas pertinent dans la mesure oles rapports des volumes sont maintenus. Un canon à air d'un volume de 2458 cm à 9,4 m et 13 790 kPa a une période de bulles de 0,083 s, ainsi que cela est déterminé par des simulations sur calculateur et vérifié par l'expérience. En utilisant l'équation (3), on trouve que le plus grand volume qui peut être utilisé est V2 3 3 V2 = [2(0,083)-0,014] I (0X083) V2 V-= 6,1 V2 14 994 cm3. Ainsi, des canons à air dont les volumes sont dans le rapport de 1 à 6,1 déterminent la gamme de volumesà utiliser. On peut choisir des volumes supplémentaires pour répartir la première oscillation de bulle linéairement entre T1 (T min) et 2T1-0,014 (T a), ou à des incréments de (0,069)/(N-1), pour N volumes. Le tableau I ci-après donne les rapports de volumes qui répartissent linéairement la première période de bulle. Le tableau I s'achève à 13 volumes sur l'hypothèse que la capacité d'alimentation en air disponible est de 98 323 cm3 à 13 790 kPa pour un cycle de 8 s, ce qui est dépassé pour les volumes réalisés par la somme de rapports de la rangée N = 13 que multiplie 2458 cm, c est-à-dire la dimension minimale du canon. De manière intuitive, on doit obtenir une bonne sélection pour des périodes uniformément espacées avec l'intervalle fictif. Le cas N = 6 est le cas relatif à la séparation de période à l'intervalle fictif à 10,67 m. Une simulation de source accordée utilisant les rapports de volumes du tableau I a ensuite été'effectuée; le tableau Il ci-après résume la simulation sur calculateur pour tous les cas du tableau I. Dans le tableau II, PA est la pression d'impulsion initiale et PB est la pression d'impulsion de bulle. La cinquième du tableau II fournit une mesure de la suppression de bulles qui est définie comme le rapport de l'amplitude de pic de l'impulsion primaire à l'amplitude de pic de la bulle supprimée au maximum. La sixième colonne du tableau Il indique le rendement relatif de chaque réseau de N volumes, et sera comparée ci-dessous avec le processus adopté selon l'invention pour la sélection des volumes. Cette mesure donne un moyen pour choisir entre les processus de sélection, sur la base de l'efficacité du réseau A produire une suppression de bulles donnée. Il faut noter que la suppression de bulles la plus efficace pour une sélection à équipériode du volume du canon a air se produit pour 6 volumes, ce qui correspond à des incréments de période égaux à la période fictive. L'équation (4) fait clairement apparaître que, pour une capacité d'air fixée, on obtiendra, en répartissant la capacité d'air sur un certain nombre de volumes, une amplitude d'impulsion à plus haute pression que celle que l'on obtiendrait en utilisant la capacité d'air d'un unique canon à air de grand volume. Ainsi, V = vi, Ad= K ú (v) 1/3, (10), o Ad est l'amplitude relative à de nombreux volumes, et A = KV1/3 s o A est l'amplitude correspondant à un unique volume; par conséquent s Ad > As. Les équations (9) et (10) imposent que, pour une capacité fixe d'air, on devra produire une suppression de bulle voulue en utilisant un grand nombre de canons a air de petit volume ayant des volumes légèrement différents de façon que la période des bulles soit répartie sur l'intervalle de T à T. Un tel processus de min max sélection des volumes demande de choisir des canons à air dont les périodes de bulles sont plus proches les unes des autres vers la limite inférieure T i que vers la limite supérieure T Max puisque des simulations indiquent que V. 1 et que Vi est apériodique, c'est-à-dire que les différences entre les valeurs successives de V i/Vl proches de 1 sont petites et augmentent lorsque Vi/V1 approchent de VN/V 1 VN étant le plus grand volume et V1 étant le plus petit volume. -Un réseau de canons à air conçu selon l'invention satisfait ce critère en permettant le choix des rapports des volumes de telle manière qu'il ne se produise pas d'interférence constructive entre oscillations de bulles et en séparant les canons à air les uns des autres dans le réseau selon l'équation (8) donnée ci-dessus. Selon l'invention, il est proposé un réseau de canons à air destiné à être lié à un navire afin d'être employé dans l'exploration sismique sousmarine, le réseau comprenant plusieurs canons à air de volumes différents répartis sur un ou plusieurs câbles de remorquage, le rapport du volume de chaque canon à air au volume du canon le plus petit étant donné par Vrn = Vro - N 1) (11), rn ro o N est le nombre total de canons, n vaut 1, 2,.... N-1, Vrn est le rapport des volumes du énième canon et du plus petit canon, V est le rapport des volumes du plus grand canon et du plus petit canon, (l I ii-P K P > 0,76, les volumes des différents canons étant déterminés à partir de ces rapports et du volume total de tous les canons, et l'écartement entre paires adjacentes de canons étant donné par 1/3 D a 0,345(V), o D est la distance, en mètres, entre les canons, et V est le volume, en centimètres cubes, du plus grand canon de la paire. 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 annexée, parmi lesquels: - la figure 1 est une courbe représentant le rapport des volumes du énième canon au canon le plus petit en fonction du numéro du volume; et - la figure 2 est une courbe représentant l'efficacité de suppression de bulles en fonction du nombre de canons. Il est présenté sur la figure 1 un graphe donnant Vrn pour N=14, K=l, Vro=6 15 et pour diverses valeurs de P. Cette fonction permet de calculer les rapports des volumes entre les points termi- naux 1 et Vro. Le cas correspondant à des incrémente égaux de période est donné sous forme d'une ligne en trait interrompu et correspond approximativement à P=0,75. Dea valeurs obtenues au moyen de réseaux de canons à air de la technique antérieure sont également incluses dans la figure 1, et sont indiquées sous les numéros 1, 2 et 3, ainsi que pour les cas correspondant à N-5 et N=7. Le tableau III ci-après est une liste de rapports de volumes calculés d'après l'équation (11). Une simulation sur calculateur de ces réseaux de sources est résumée sur le tableau IV ci-après. Le tableau IV présente des volumes de réseau (on suppose que le volume le plus petit est 2458 cm), des rapports de suppres- sion de bulles, et des efficacités de suppression de bulies. La comparaison du tableau IV et du tableau II montre que l'algorithme des rapports de volumes de l'équation (11) est supérieur à celui des périodes uniformément réparties, puisque l'on obtient une suppression de bulles donnée pour un volume d'air total moindre. La suppression de bulles la plus efficace réalisée au moyen de l'algorithme de l'équation (11) se produit pour 11 volumes utilisant 68 088 cm d'air. La comparaison des tableaux II et IV montre que l'efficacité de suppression de bulles est doublée par rapport à celle correspondant aux périodes égales lorsqu'on utilise - le procédé de sélection de volume de l'algorithme donné dans l'équa- tion (11). La suppression de bulles utilisant le procédé d'extension de période de l'équation (1l) augmente de manière très visible avec le nombre de volumes indépendants jusqu'à 11, puis diminue. Ceci est dû à l'interférence constructive de bulles venant de volumes qui dif- fèrent très légèrement à l'extrémité de basse période (petit volume). Après avoir déterminé que le procédé de sélection de volumes défini par l'équation (Il) produisait des résultat supérieurs à ceux des réseaux de canons à air connus dans la technique, on a effectué une simulation sur calculateur de réseaux définis par la variation des paramètres K, P, N et Vro* L'examen des résultats de l'étude en simulation montre que des réseaux ayant de Il à 18 volumes sans interaction donnent un rapport de suppression de bulles compris entre 20:1 et 27:1, et indiquent 'que les réseaux ayant un volume total de 98 323 cm3 18 volumes à K-=O 95, P=14, Vro=7>0, produisent un rapport de suppression de bulles de 27:1, soit une valeur voisine de l'effi- cacité de pic de tous les réseaux étudiés. Ces résultats montrent également que l'augmentation de Vro nettement au-delà de 7,0 conduit à des résultats défavorables. Les résultats obtenus dans le cas o Vro=6,15 et K15,0 pour diverses valeurs de P sont présentés sur la figure 2 sous forme de graphes donnant l'efficacité de suppression de bulles (rapport de l'amplitude relative au volume en centimètres cubes) en fonction du nombre N de canons, pour les cas (a) o le plus petit volume est 2458 cm3 (d'après le tableau IV) et (b) o le volume total a été normalisé à 98 323 cm Après détermination du nombre le plus approprié de canons à air et de leurs volumes relatifs (rapports des volumes), on peut déterminer les volumes absolus des canons en se reportant à l'alimentation disponible en air sous pression, à la pression de cet air et à la durée du cycle de remise en pression. A partir des volumes absolus, on peut déterminer l'écartement des canons dans le réseau. Pour obtenir une source ponctuelle utilisant un grand nombre de canons, il peut être souhaitable de répartir les canons suivant deux ou trois câbles de remorquage, ou même plus, au lieu d'un seul câble de remorquage. Toutefois, puisque l'écartement entre les canons adjacents dépend du volume du canon le plus grand, on obtiendra une longueur de câble plus courte en disposant les canons le long du câble dans l'ordre des volumes croissants. Naturellement, lorsque l'on utilise deux câbles de remorquage ou plus, l'écartement entre câbles adjacents doit être au moins égal à l'écartement néces- saire pour le plus grand canon de ces câbles. Bien entendu, l'homme de l'art sera en mesure d'imaginer, b partir du réseau de canons à air dont la description vient d'être donnée à titre simplement illustratif et nullement limitatif, diverses variantes et modifications ne sortant pas du cadre de l'invention. L'appréciation de certaines des valeurs numériques données ci-dessus doit tenir compte du fait qu'elles proviennent de la conversion d'unités anglo-saxonnes en unités métriques. TABLEAU I N Rapport de volumes des canons à air (N-l)+n (, 3) N-1 3 1i 2,83; 6,15 4 1; 2,08; 3,75; 6,15 1; 1776; 2,83; 4,27; 6;15 6 1 1t59; 2736; 3,36; 4,61; 6715 7 1; 1,47; 2;88; 2,83; 3 75; 4,84; 6,15 8 1; 1;4; 1,89; 2,49; 32; 4704; 5,01; 6,15 9 1; 1,34; 1,76; 2725; 2,83; 3,5; 4)27; 5,14, 6,15 1; 13; 1;66; 2,08; 2,57; 3,12; 375; 4,46, 5,25; 6,15 11 1; 1,27; 1,59; 1,95; 2,36; 2783; 3,36; 3;95, 4,61; 5,33 6,15 12 1; 1:24; 1,52; 1,84; 2,21; 2,61; 3,07; 3,57, 412; 473; 5;4; 6,15 13 1; 1,22; 1,48; 1376; 2,08; 2,44; 2,83; 3,27, 3,75; 4,27; 4j84; 546, 615 r% o TABLEAU I1 Rapport de suppression de bulles/volume 1,49 1,70 1,78 1,86 1,72 1,65 1, 59 1,52 1,45 1>37 x 10 -4 x 10-4 x 10-4 x 10 -4 x 10-4 x 10-4 x 10-4 x 104 x 10-4 x 10-4 x 10-4 X 0 K4 x 1 xK1 N Volume totCl (cm) PB 4>036 3;859 3,742 3X607 3y776 4X090 4,261 4,467 4>711 4)963 14,642 ;858 26;070 36;506 41,728 46,946 52;172 57;398 62,598 67)827 3,63 ;41 6,97 8X68 9;67 ,02 11;48 12,24 12>85 13,29 13;67 L4 [%) Lm nol TABLEAU III K = 1, P = 1;4 V = 6;15 4 1; 1,42; 2,68; 6e1 1; 1,25; 1,90; 6,1 6 1; 1,18; 1,58; 2,32; 3,65; 6,1 7 1; 1,13; 1,42; 1,92; 2,68; 3,96; 6,1 8 1; 1,1; 1,32; 1,66; 2,18; 2,96; 4,2; 6X1 9 1; 1,08; 1,25; 1,51; 1,9; 2,44; 3,24; 4;39; 6,1 1; 107; 1521; 1,42; 1;71; 2,11; 2,68; 3y46; 4,55; 6;1 11 1; 1,06; 1,18; 1,35; 1,58; 1,90; 2,32; 2,88; 3,65; 4,68; 6,1 12 1; 1,05; 1,15; 1,29; 1,49; 1,74; 2,07; 2,5; 3707; 3,81; 4,79; 6,1 13 1; 1,04; 1,13; 1,25; 1,42; 1,63; 1,9, 2,24; 2,68; 3,24; 3,96; 4,89; 6, 1 14 1; 1,04; 1,12; 1,22; 1,36; 1,54; 1,76; 2,04; 2,39; 2,83; 3,39; 4,09; 4, 96; 6,1 1; 1,04; 1,1; 1,2; 1,32; 1,47; 1,66; 1;9; 2,18; 2,54; 2,98; 3152; 4.2; 5. 04; 6,1 N 4S r'o Uj TABLEAU IV (2) Rapport de l'impulsion primaire A l'impulsion de bulle (2)/(1) Rapport de suppression de bulles/ volume - + t t t + 6,90 8,71 ,67 12,78 14,72 17,62 j38 ,49 ,55 21,01 ,92 1,54 2>08 2,24 2,39 2,53 2,61 2,83 2,99 2,77 2,58 2,45 2;36 x 10-4 x 10-4 x 10-4 x 10 -4 x 10-4 x 10-4 x 10-4 x 10 -4 x 10-4 x 10-4 x 10-4 x 10-4 N (1) Volume total (cm3 (cm) I1 19s691 24t423 29,172 33,936 38,666 43,443 48,231 53,003 57,755 62)542 67,284 72;049 3,748 3,538 3,180 3,025 2,951 2,738 2,601 2)819 3,043 3,203 3;444 kn vi rJ o - O r1l Ln R E V E N D I C A T I 0 N Réseau de canons à air conçu pour être relié à un navire afin d'être utilisé dans une exploration sismique sous-marine, le réseau étant caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs canons à air de volumesdistinctsrépartis suivant un ou plusieurs câbles de remorquage, le rapport du volume de chaque canon à air au volume du canon le plus petit étant donné par Vrn Vro K(1 _)n o N est le nombre total de canons, n vaut 1, 2,...N-1, V est le rapport des volumes du énième canon au canon le plus petit, V est le rapport des volumes du canon le plus grand au canon le plus petit, K P > 0,76, les volumes des différents canons étant déterminés à partir de ces rapports et du volume total de tous les canons, et l'écartement entre deux canons adjacents étant donné par 1/3 D >O,345(V)l o D est la distance, en mètres, entre les canons, et V est le volume, en centimètres cubes, du plus grand canon de la paire.