Brevet FR2543692A1 — publié le 19841005

-1- La présente invention concerne la prospection sismique du sous-sol. Un ensemble de prospection sismique comprend des capteurs, disposés en configuration déterminée sur le sol, et reliés par fils ou par radio, à une station centrale d'enregistrement Il se complète naturellement de sources d'ébranlements sismiques artificiels. Sur terre, les capteurs sont des géophones. En mer, ce sont des hydrophones Reste le cas intermé- diaire du littoral ou des zones fortement marécageuses ("shallow water'"), o il faut utiliser conjointement des géophones et des hydrophones dans le même dispositif. De plus, il est souhaitable de prévoir un géophone et un hydrophone à ceux des emplacements de capteur qui sont tantôt secs, tantôt immergés (marées par exemple) Les opérateurs de terrain doivent alors à chaque fois modi- fier le branchement de chaque "bretelle" (ligne élémen- taire de capteurs) concernée pour passer du mode géophone au mode hydrophone, et réciproquement. Il en résulte soit un allongement substantiel du temps d'acquisition des données sismiques, soit la nécessité de se contenter d'informations incomplètes si, lors de la mesure, des géophones se sont trouvés immergés, ou des hydrophones à seco Aucune solution satisfaisante de ce probl Ame n'a été proposée jusqu'à présent. Dans ces conditions, la présente invention a pour but premier de fournir un capteur capable d'assurer de façon interchangeable et fiable les fonctions de géophone et d'hydrophoneo L'invention permet aussi sans débranchement manuel la commutation géophone/hydrophone Le capteur proposé a encore l'avantage de loger lui-même l'élec- tronique de prétraitement nécessaire a l'hydro- phone. -2- Le boîtier du capteur sismique proposé loge en partie basse un géophone qui surmonte une fixation de piquet, tandis qu'il est muni en partie haute d'au moins un passage de liaisons électriques vers l'extérieur La paroi externe du boîtier est perforée à la façon d'une crépine dans sa partie basse, et un transducteur d'hy- drophone en céramique tubulaire métallisée est monté de façon étanche à l'intérieur du boîtier, en regard de ces perforations, autour du géophone, si bien que la face externe du transducteur est exposée, à travers les perforations, à la pression hydrostatique ambiante, tandis que sa face interne est exposée à la pression gazeuse régnant à l'intérieur du boîtier, et délimite avec le reste du boîtier une enceinte étanche contenant et isolant le géophone. En pratique, la céramique-tubulaire est coaxiale au géophone. De préférence, la partie haute interne du boîtier contient un abaisseur d'impédance branché à la sortie électrique de l'hydrophone. Cet abaisseur d'impédance comprend avantageu- sement un circuit amplificateur opérationnel On y ajoute en pratique une résistance d'amortissement branchée en parallèle sur la sortie électrique du géophone. Dans un mode de réalisation préférentiel, les circuits électriques placés dans la partie haute interne du boîtier sont agencés en circuit imprimé. Selon un autre aspect de l'invention, la forme générale du boîtier étant de révolution, le fond du boîtier comporte un alvéole interne central qui sert à loger le géophone et est entouré coaxialement d'une rainure circulaire ouverte vers le haut; la partie médiane interne du boîtier est munie d'un dispositif annulaire d'appui venant maintenir le géophone dans son logement, et définissant entre le géophone et la -3- paroi externe du boîtier une cloison qui porte une seconde rainure circulaire homologue de la précédente; enfin, la céramique tubulaire est logée entre deux joints placés respectivement dans les deux rainures circulaires. Selon un autre aspect encore de l'invention, le dispositif comporte deux passages symétriques de liaisons électriques vers l'extérieur, logeant un câble amont relié à au moins un autre capteur du même genre, et un câble aval reprenant les liaisons provenant du ou des autres capteurs augmentées de la liaison géophone et de la liaison hydrophone du capteur concerné; le câble aval est connecté à un boîtier assurant la com- mutation conjointe des capteurs interconnectés en mode géophone ou hydrophone. En pareil cas, le bottier de commutation com- porte avantageusement une entrée de commande permettant le verrouillage en mode automatique pendant le temps d'enregistrement d'un jeu de données sismiques ou traces. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée qui va suivre, et des dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une vue en coupe partielle d'un capteur sismique géophone/hydrophone selon la présente inven- tion; la figure 2 est une vue extérieure du même capteur i -.la figure 3 est le schéma électrique interne du capteur des figures 1 et 2; la figure 4 est le schéma de raccordement du capteur de la figure 3; la figure 5 est le schéma électrique interne d'un bloc de commutation; et 27 '43692 -4- la figure 6 est le schéma d'un exemple de ligne élé- mentaire de capteurs selon la présente invention. Le capteur illustré suàr les figures 1 et 2 comporte un bo Utier de révolution, constitué d'une partie basse 10, d'une partie haute 30 de plus grand diamètre que la partie basse, et d'une partie de tran- sition conique 20 La partie haute est fermée en haut par un couvercle 38 à étanchéité 39. La partie basse se termine par une protubérance filetée 11, qui permet la fixation d'un piquet 12. Dans un capteur classique du genre géophone, le piquet 12 assure la fixation du capteur sur le sol. La partie basse 10 est rendue complètement étanche, et elle loge le géophone proprement dit De son côté, la partie haute 30 définit au moins un passage de liaison électrique vers l'extérieur, et de préférence deux Cela permet d'agencer les capteurs en ligne, comme on le verra plus loin à propos de la figure 3. La difficulté rencontrée dans les zones "shallow water" déjà mentionnées se situe au niveau du capteur employé: - dans l'eau, il est difficile de bien planter un géo- phone, condition nécessaire pour obtenir des signaux de bonne qualité Par ailleurs, l'étanchéité du boîtier, qui est déjà soignéepour travailler sur terre, devra l'être encore plus pour travailler dans l'eau. dans l'eau, un hydrophone donne de bons résultats, mais il devient inutilisable hors de l'eau. La présente invention vient proposer un capteur de structure nouvelle, qui comprend à la fois un hydro- phone et un géophone, et se trouve donc-capable de ce fait de fonctionner aussi bien sur terre que dans l'eau, sous réserve de commutationstrès simples. Comme le montrent les figures 1 et 2, la paroi externe du boîtier 10, en partie basse, est perforée à la façon d'une crépine 19 Les ouvertures réalisées sont de préférence des ouvertures longues dirigées de haut ? 5-4369 2 ' - en bas et régulièrement espacées Un transducteur d'hy- drophone 70, en céramique tubulaire munie de métallisations 71 et 72,est monté de façon étanche à l'intérieur du bottier, en regard des perforations 19, et autour du géophone 60 La face externe métallisée 71 du trans- ducteur 70 se trouve ainsi exposée, à travers les per- forations 19, à la pression hydrostatique ambiante. Sa face interne 72 est exposée à la pression gazeuse régnant à l'intérieur du bottier Le transducteur 70 peut donc fonctionner en hydrophone De plus, il délimite avec le reste du boîtier une enceinte étanche, constituée ici de deux parties 65 et 35, dont la première contient et isole le géophone 60, tandis que la seconde est con- sacrée aux liaisons électriques et au circuit de pré- traitement inclus dans un circuit imprimé 80. Plus précisément, le bas 10 du bottier comporte une partie inférieure tronconique 13 terminée par une partie horizontale 14 Coaxialement, cette partie 13 est munie d'un alvéole 67 L'alvéole 67 est de forme générale cylindrique et coaxiale au bottier O Il reçoit un g 6 ophone 60, qui est par exemple le modèle ÉM 4/GSC 20 D des sociétés Geo-Source/Geo-Space. Le géophone repose sur le fond de l'alvéole par l'inter- médiaire d'un joint torique élastique 68 A l'intérieur du boltier, entre cet alvéole 67 et la paroi externe, la pièce 13 comporte une partie plane annulaire, située à un niveau légèrement inférieur au bas des orifices 19. Sur cette partie plane annulaire, coaxialement au boîtier, est définie une rainure circulaire 15 ouverte vers le haut Dans cette rainure est placée un joint 75, qui reçoit l'extrémité inférieure de l'hydrophone en céra- mique tubulaire 70. La partie de transition 20 du boîtier comporte intérieurement un épaulement annulaire 21 surmonté d'un filetage 22, tous deux coaxiaux au boîtier Cet aménagement -6- sert à la mise en place d'un dispositif annulaire d'appui, constitué des pièces 22 à 28 Celui-ci a pour fonction d'une part d'assurer la suspension du géophone 60 dans son logement, et d'autre part de définir entre le géophone et la paroi externe du boîtier une cloison qui va porter une seconde rainure circulaire 26, homologue de la rainure 15 De la sorte, la céramique tubulaire se-loge entre le joint 75 déjà cité et un joint 76 placé dans la rainure 26 Elle sépare le bas du capteur en une cavité 18 communiquant avec l'extérieur par la crépine 19, et une cavité 65 logeant le géophone, de manière tout à fait étanche par rapport à l'extérieur. Dans le mode de réalisation particulier décrit, le dispositif d'appui comporte tout d'abord une colle- rette 23, venant directement en appui sur l'épaulement 21. Cette collerette est annulaire, et se trouve mmnie latéralement d'un renfort en U 24, 25, tourné vers le bas En d'autres termes, la collerette est munie, au contact du géophone, d'Itrepliement vers le bas 25, tandis qu'ur autre extension vers le bas 24 est prévue dans l'espace séparant le géophone de la paroi extérieure L'ensemble définit la rainure 26 Par dessus la collerette, une ron- delle 27 s'appuie sur celle-ci au droit de l'épaulement 21, tandis qu'à l'autre extrémité elle s'appuie sur le géophone 60 Enfin, une bague 28 est engagée dans le filetage 22 et enserre l'ensemble constitué par la ron- delle 27 et la collerette 23 sur l'épaulement 21. La collerette 21 est rigide, de manière à assurer une mise en position rigide de l'hydrophone 70, et ce avec une stabilité suffisante pour qu'il constitue une paroi parfaitement étanche entre l'enceinte intérieure close du boîtier constitué des cavités 65 et 35, et la cavité externe 18 qui communique avec l'extérieur Bien que différents matériaux puissent être utilisés pour constituer les joints 75 et 76, la demanderesse préfère à l'heure actuelle utiliser des élastomères -7-. capables d'assurer à la fois l'étanchéité et l'isolation électrique entre les deux faces métallisées de la céramique 70, par exemple des élastomères de polyuréthane bi-composants. De son côté, la rondelle 27 peut être choisie avec une certaine élasticité dans le sens radial, et éventuellement une précontrainte, afin d'assurer la suspension du géophone en coopération avec le joint élas- tique 68. En partie haute 30, le boîtier comporté deux passages symétriques 31 et 32 de liaisons électriques vers l'extérieur, qui logent respectivement un câble amont , qui va venir d'un autre capteur du même genre, et un câble aval 40, qui va d'une part reprendre les liaisons provenant du ou des autres capteurs amont, et augmenter ces liaisons de la contribution du géophone incorporé au boîtier. Matériellement, la partie haute du capteur comporte un circuit imprimé 80, représenté ici en coupe. Ce circuit 80 peut avoir une forme oblongue-terminée par deux côtés curvilignes lui permettant de s'appuyer sur les bords de la cavité 35 En partie inférieure, le circuit comporte des composants tels qu'un circuit intégré amplificateur 81 En partie haute, il reçoit les fils de connexion provenant des âmes respectives 48 et 58 des câbles 40 et 50 Sur le plan mécanique, on notera enfin que les câbles 40 et 50 sont montés à étanchéité sur les alésages 31 et 32 par l'intermédiaire de serrage 49 et 59. On décrira maintenant sur la figure 3 le schéma électrique d'un capteurdésigné G/H. Ce capteur comporte intérieurement un géophone que l'on notera maintenant G Ses deux bornes de sortie sont reliées par des connexions 61 et 62 aux bornes d'une résistance d'amortissement 88 qui est montée sur le circuit 8- imprimé 80 Du côté du câble de sortie 40, les connexions 61 et 62 vont elles-mêmes constituer directement la sortie bifilaire SG du géophone G. La céramique 70 et ses métallisations 71 et 72 constituent un hydrophone H Les deux métallisations sont reliées par des connexions 73 et 74 à un montage abaisseur d'impédance, qui comprend un circuit amplificateur opg- rationnel 81 La sortie bifilaire SH de l'hydr Qphone H est constituée par la sortie de l'amplificateur 81. Avantageusement, l'alimentation du circuit 81 passe sur les deux fils de la sortie SH, un découplage en courant continu (non représenté) étant prévu à la sortie de l'amplificateur 81 Chacune des liaisons d'hydrophone véhicule donc dans un sens l'alimentation des circuits, et dans l'autre le signal utile. La figure 4 montre la manière dont est raccordé, dans la bretelle, le ne capteur G/Hn de la figure 3 En pratique, chacune des sorties S Gn et S Hn est dédoublée, de telle sorte que chaque capteur G/H présente quatre entrées (raccordées au capteur G/Hn-1 en amont par le câble 50) et quatre sorties (raccordées au capteur G/Hn+l en amont par le câble 40) Cette disposition permet de limiter le nombre de conducteurs nécessaires pour la trans- mission du signal et l'alimentation de tous les capteurs de la bretelle, et quel que soit leur nombre, ceux-ci étant reliés en parallèle ou en série(ce qui limite à quatre le nombre de conducteurs),ou encore en série- parallèle, comme on le verra par la suite. Le capteur G/HN le plus en aval de la bretelle est avantageusement relié à un circuit qui permettra d'assurer la commutation entre le mode géophone et le mode hydrophone pour tous les capteurs de la bretelle. Le schéma électrique d'un tel circuit CGH est illustré sur la figure 5 En partie droite arrivent du dernier capteur G/HN de la bretelle'les signaux issus des L 3692 -9- sorties SGN et SHN, et qui contiennent les signaux délivrés par tous les capteurs de la bretelle. En partie gauche sortent sur une ligne bifilaire Si, 52 les signaux issus soit des géophones, soit des hydrophones de la bretelle et destinés à un dispositif d'enregistrement ou de transmission de données La commu- tation hydrophones/géophones est opérée par des commuta- teurs 90, 91 qui sont sous le contrôle d'un circuit 92 de détection de présence d'eau, actionné par exemple par un détecteur manométrique 93 Cette commutation automatique peut être mise hors service au profit d'une commutation manuelle réalisée par l'opérateur de terrain Un verrouil- lage en mode "automatique" peut, le cas;échéant, être réalisé par un circuit 94 commandé par un signal appliqué à une entrée EV du boîtier, et issu par exemple d'une unité centrale de collecte des données et de commande du système. Par ailleurs, une source de tension continue 95 alimente les hydrophones par l'intermédiaire d'un circuit de découplage 96 laissant passer le signal (alternatif) issu des hydrophones. La figure 6 représente schématiquement une bretelle BGH de neuf hydrophones H 1-H 9 et neuf géophones Gl-G 9, reliée à un circuit de commutation CGH tel que décrit précédemment. Dans la configuration représentée, les neuf géophones ont été reliés en série-parallèle par groupes de trois (ce qui limite à trois au plus le nombre de con- ducteurs de la bretelle affectés aux géophones), et les amplificateurs des hydraphones ont été reliés en cascade on répartit ainsi la sommation des signaux tout le long de la bretelle, et en outre deux fils seulement sont nécessaires pour faire transiter le signal des hydrophones le long de la bretelle. -10- Bien entendu, d'autres combinaisons en parallèle, série ou sérieparallèle sont possibles, ce qui permet de limiter les conducteurs dans la bretelle à un nombre indé- pendant du nombre des transducteurs qu'elle comporte. -11- REVENDICATIONS 1 Capteur sismique, dont le boîtier loge en partie basse ( 10) un géophone ( 60) qui surmonte une fixation ( 11) de piquet ( 12), tandis qu'il est muni en partie haute ( 30) d'au moins un passage ( 31, 32) de liaisons électriques ( 40, 50) vers l'extérieur, carac- térisé par le fait que la paroi externe du bottier ( 10) est perforée à la façon d'une crépine ( 19) dans sa partie basse, et qu'un transducteur ( 70) d'hydrophone en céra- mique tubulaire métallisée ( 71, 72) est monté de façon étanche à l'intérieur du bottier, en regard de ces per- forations ( 19), autour du géophone ( 60), si bien que la face externe ( 71) du transducteur ( 70) est exposée, à travers les perforations ( 19), à la pression hydrosta- tique ambiante, tandis que sa face interne ( 72) est exposée à la pression gazeuse régnant à l'intérieur du boîtier, et délimite avec le reste du boîtier une enceinte étanche ( 35, 65) contenant et isolant le géophone -( 60). 2 Capteur sismique selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la céramique tubulaire ( 70) est coaxiale au géophone ( 60). 3 Capteur sismique selon l'une des revendi- cations 1 et 2, caractérisé par le fait que la partie haute interne du bottier ( 35) contient un abaisseur d'impédance ( 80) branché à la sortie électrique ( 73, 74) de l'hydrophone. 4 Capteur sismique selon la revendication 3, caractérisé par le fait que l'abaisseur d'impédance ( 80) comprend-un circuit amplificateur opérationnel ( 81). Capteur sismique selon l'une des revendi-' cations 3 et 4, caractérisé par le fait que la partie haute interne du boîtier ( 35) contient également une résistance d'amortissement ( 88) branchée en parallèle sur la sortie électrique du géophone. 12- 6 Capteur sismique selon l'une des revendi- cations 3 à 5, caractérisé par le fait que les circuits électriques placés dans la partie haute interne du boîtier sont agencés en circuit imprimé ( 80). 7 Capteur sismique selon l'une des revendi- cations 1 à 6, caractérisé par le fait que, la forme générale du bottier étant de révolution, le fond du boîtier ( 10) comporte un alvéole interne central ( 67) qui sert à loger le géophone et est entouré coaxialement d'une rainure circulaire ( 15) ouverte vers le haut, que la partie médiane interne ( 20) du boîtier est munie d'un dispositif annulaire d'appui ( 22-28) venant maintenir le géophone ( 60) dans son logement, et définissant entre le géophone ( 60) et la paroi externe du boîtier une cloison ( 23, 24, 25) qui porte une seconde rainure cir- culaire ( 26) homologue de la précédente, et que la céra- mique tubulaire ( 70) est logée entre deux joints ( 75, 76) placés respectivement dans les deux rainures circu- laires ( 15, 26). 8 Capteur sismique selon la revendication 7, caractérisé par le fait que la partie médiane interne ( 20) du bottier comporte un épaulement annulaire ( 21) surmonté d'un filetage ( 22), tous deux coaxiaux au boî- tier, et que le dispositif d'appui comprend une colle- rette ( 23) munie d'une protubérance en U ( 24, 25) tournée vers le bas, formant la seconde rainure ( 26), cette collerette ( 23) s'appuyant sur l'épaulement ( 21), puis une rondelle ( 27) surmontant la collerette et s'appuyant à la fois sur l'épaulement ( 21) à travers la collerette ( 23) et sur le géophone ( 60), et une bague ( 28) engagée dans le filetage ( 22) et enserrant l'ensemble rondelle ( 27)-collerette ( 23) sur l'épaulement ( 21). 9 Capteur sismique selon l'une des revendi- cations 1 à 8, caractérisé par le fait qu'il comporte deux passages symétriques ( 31, 32) de liaisons électriques -13- vers l'extérieur, logeant un câble amont ( 50) relié à au moins un autre capteur du même genre, et un câble aval ( 40) reprenant les liaisons provenant du ou des autres capteurs augmentées de la liaison géophone (G 1) et de la liaison hydrophone (Hi) du capteur concerné, et par le fait que le câble aval ( 40) est connecté à un bottier (CGH) assurant la commutation conjointe, en mode géophone ou hydrophoned des capteurs interconnectés. Une ligne élémentaire (BGH) de capteurs selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les amplificateurs des hydrophones (H 1-H 9) de chaque capteur sont électriquement montés en cascadet de manière à opérer une sommation répartie des signaux délivrés par les hydrophones, et en ce que les géophones sont interconnectés en série, parallèle ou série-parallèle, de sorte que la ligne ne comporte, pour chacun des circuits hydrophone et géophone, qu'une sortie unique, connectée a un circuit (CGH) assurant la commutation conjointes en mode géophone ou hydrophone, des capteurs ainsi interconnectés.