Brevet FR2548386A1 — publié le 19850104

L'invention concerne une source d'énergie sismique perfectionnée utilisée pour produire des impulsions ou des ondes de choc dans un milieu liquide tel que de l'eau L'invention concerne plus particulièrement 5 un appareil actionné par gaz dont la signature et le spectre de fréquence peuvent être aisément modifiés. La source comporte une chambre à air comprimé fermée dont la dimension peut être modifiée sans que cette source soit retirée de l'eau. Dans la prospection du milieu sous-marin et d'autres zones s'étendant audessous d'une masse d'eau, il est souhaitable de disposer d'une source d'énergie propageant les impulsions sonores ou ondes de choc dans l'eau Etant donné que l'eau est bonne 15 conductrice des sons, il n'est normalement pas nécessaire de produire des impulsions à proximité du fond de la masse d'eau; elles peuvent être et sont avantageusement produites à proximité de la surface de l'eau Ces impulsions descendent en se propageant à travers l'eau, 20 à travers l'interface eau-fond, dans les formations géologiques situées au-dessous du fond et, dans une certaine mesure, elles sont renvoyées par réflexion suivant le même trajet vers un groupe d'hydrophones placés en attente à proximité de la surface de l'eau. 25 Une analyse des signaux produits par les hydrophones peut donner une information concernant la structure des formations géologiques situées audessous du fond et d'une accumulation correspondante de pétrole dans ces formations. Le terme "eau" utilisé ici est destiné à englober l'eau des marais, des terrains vaseux, des marécages et tout autre liquide contenant suffisamment d'eau pour permettre la mise en oeuvre de l'invention. Il existe de nombreuses manières d'engendrer 35 une impulsion sonore dans un liquide Par exemple, des explosifs introduisent dans l'eau de fortes impulsions et, par conséquent, parviennent à une pénétration importante dans les formations situées au-dessous du fond. Certains inconvénients évidents sont liés à leur utilisation: ils sont dangereux à stocker, manipuler et utiliser. Lorsqu'ils sont utilisés en eau libre, ils tuent la vie marine Dans des zones peuplées telles que les 5 ports, les explosifs ne peuvent être utilisés en aucune manière Leur coût d'utilisation est de plusieurs fois supérieur, par tir, à celui des canons à gaz. Il est difficile de modifier la signature sonique d'une source à explosif pour parvenir a une distribution 10 acceptable du spectre. Un autre procédé pour produire une impulsion sonore consiste a décharger un ensemble de condensateurs par l'intermédiaire d'une électrode immergée pour produire une bulle de gaz s'écrasant rapidement Cependant, 15 l'efficacité de ce procédé est très faible car seul un faible pourcentage de l'énergie emmagasinée dans les condensateurs est retrouvé dans l'onde de choc produite lors de la décharge. Un appareil utilisant des mélanges gazeux 20 explosifs, par exemple du propane et de l'oxygène, pour produire l'impulsion sonore, a atteint un large succès Les deux types principaux de canons à gaz explosifs sont ceux qui fonctionnent par explosion d'un mélange gazeux en arrière d'une membrane flexible qui, elle-même est en contact avec l'eau, et ceux qui fonctionnent en permettant à la bulle, formée brusquement par l'explosion du gaz, de passer directement dans l'eau. Un exemple du premier type d'appareil est décrit dans le brevet des EtatsUnis d'Amérique N 3 658 149 et 30 un exemple du second type est décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N 4 193 472. Des canons à air utilisant des gaz comprimés sous une pression élevée, plutôt qu'un mélange explosif, ont rencontré un grand succès dans l'industrie Les 35 brevets des Etats-Unis d'Amérique N 3 653 460 et N 4 141 431 décrivent des conceptions typiques de canons à gaz comprimés ouverts Ces canons utilisent deux chambres sous pression, à savoir une chambre de commande et une chambre contenant un gaz, qui sont séparées de façon étanche par une valve à tiroir ou une navette On procède au tir du canon en libérant 5 brusquement l'air de la chambre de commande Le gaz contenu dans l'autre chambre introduit à force la navette dans la chambre de commande et met ainsi en même temps à découvert les orifices d'échappement Ces orifices permettent au gaz emmagasiné dans la chambre à gaz 10 de sortir de façon explosive dans l'eau La chambre de commande est ensuite remise sous pression, la navette étant alors ramenée dans une position d'obturation de la chambre & gaz Le canon est de nouveau prêt au "tir". D'autres brevets décrivant divers perfectionnements ou divers variantes apportés aux canons à orifices ouverts comprennent les brevets des Etats-Unis d'Amérique N 3 653 460, N 4 034 827, N 4 219 097, N 4 219 098, N 4 225 009, N 4 230 201, 20 N 4 246 979 et N 4 271 924. Ces sources sismiques sont généralement déployées en une rangée remorquée par un navire de prospection sismique Une flûte marine, dont la longueur peut être de plusieurs kilomètres et qui comprend un 25 grand nombre d'hydrophones, est également remorquée par le navire Bien qu'une seule source sismique puisse être utilisée dans certains cas, la situation la plus courante comprend un ensemble de quatre à douze sources. Lorsqu'elles sont déployées en rangées, les sources comportent habituellement des chambres à gaz de dimensions différentes afin que l'on obtienne un meilleur signal aux hydrophones Les dimensions des chambres des sources peuvent être déterminées par la profondeur de pénétration, le type de matière du sous-sol ou une quantité de détails 35 nécessaires à une ligne de prospection particulière. Les brevets N 3 653 460 et N 4 219 098 précités décrivent une modification respectivement de la dimension utile et de la dimension absolue des chambres à gaz comprimés pour faire varier les caractéristiques de l'impulsion sismique émise. Le brevet N 3 653 460 précité suggère 5 l'utilisation d'un certain nombre de manchons d'écartement à l'intérieur de la chambre, ajustés le long de sa paroi afin de supporter un disque d'obturation et de former ainsi une extrémité mobile dans la chambre. Il suggère également l'utilisation d'un disque d'obtura10 tion dont le bord présente des filets en prise avec des filets analogues formés sur la surface intérieure de la chambre En faisant tourner le disque, on provoque son mouvement de recul à l'intérieur de la chambre dont le volume utile est ainsi agrandi En faisant 15 tourner le disque en sens opposé, on obtient le résultat opposé A chaque modification, le canon à gaz doit être tiré hors de l'eau pour que le volume de la chambre puisse être changé. De même, le brevet N 4 219 098 précité 20 suggère l'utilisation d'une bride conçue pour permettre un remplacement aisé de la chambre par une chambre de dimensions différentes Cet agencement semble être le plus courant dans la technique concernée Comme précédemment, le canon a gaz doit être tiré hors de 25 l'eau pour que l'on puisse procéder à tout changement de dimensions de la chambre. Le canon à gaz selon l'invention comprend une chambre dont la dimension peut être modifiée à distance à l'aide d'actionneurs hydrauliques, électriques 30 ou électrohydrauliques L'ensemble à chambre variable selon l'invention remplace de façon souhaitable la chambre située dans un dispositif tel que celui décrit dans le brevet N 3 653 46 O ou dans le brevet N 4 219 098 précité. L'ensemble à chambre variable utilise avantageusement une servo-valve hydraulique dont le mouvement rotatif d'entrée provient d'un moteur électrique pas à pas et qui utilise une réaction mécanique partant d'un arbre fileté pour commander le mouvement du piston formant l'extrémité mobile de la chambre variable. La servo-valve commande la quantité de fluide hydraulique sous haute pression introduit sur un premier côté d'un piston asservi et du liquide retiré de l'autre côté du piston asservi Ce dernier est avantageusement monté sur le même arbre que l'extrémité mobile de la chambre variable Le moteur électrique pas à pas peut être 10 commandé depuis le navire Par conséquent, le volume de la chambre du canon à air peut être modifié sans que le réseau de sources soit tiré hors de l'eau. L'utilisation de l'invention permet à un prospecteur sismique de modifier la largeur de liaison 15 du réseau de sources sans que ce réseau soit tiré hors de l'eau et amené au navire L'utilisation du canon à chambre variable permet au navire de n'emporter qu'un jeu modeste de pièces de canons à air de rechange. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lesquels: la figure 1 est une vue schématique d'un navire sismique remorquant un réseau de canons multiples et une flûte marine d'hydrophones; la figure 2 est un graphique montrant un groupe idéalisé de courbes d'amplitude de pression en fonction du temps, illustrant les signaux provenant d'un réseau de canons à air multiples; la figure 3 A est une élévation avec coupe 30 partielle d'une forme préférée de réalisation du canon à air selon l'invention dont la navette est en position de tir et la tête de piston du cylindre est dans la position de cylindrée minimale; la figure 3 B montre le canon à air de 35 la figure 3 A, avec coupe partielle, la navette étant en position de tir exécuté et la tête de piston du cylindre étant dans la position de cylindrée maximale;et la figure 3 C est une coupe partielle d'un détail des servo-valves représentées sur les figures 3 A et 3 B. La figure 1 représente un dispositif classique de prospection en mer utilisant des canons à air tels que ceux décrits dans le présent mémoire. Il est représenté un navire sismique 10 remorquant quatre canons à air 12 et une flûte marine 14 d'hydrophones La flûte 14 peut être constituée d'un certain nombre de tronçons creux contenant une 10 huile afin de donner au câble une flottabilité presque neutre Chaque tronçon du câble contient généralement plusieurs hydrophones Par ailleurs, les canons & air 12 ne sont pas flottants et sont suspendus à des bouées 16. Les quatre canons à air 12 peuvent avoir des volumes de chambre différents et ils sont fixés simultanément Les-ondes de pression sortant des orifices 18 des canons à air descendent à travers l'eau, traversent le fond 20 de la mer, se réfléchissent à l'interface 20 entre deux couches géologiques de densités différentes et reviennent par un trajet similaire afin d'être détectées par les hydrophones de la flûte 14 et enregistrées dans le navire sismique 10. Les signaux provenant de chacun des canons 25 sont représentés sur le graphique pression-temps de la figure 2 On procède au tir simultané des canons à l'instant t O Dans cet exemple, le canon n 1 Cl présente la chambre de plus grand volume, le canon né 2 C 2 présente une chambre de volume plus faible, 30 le canon n 3 C 3 présente une chambre de volume inférieur à celui de la chambre du canon C 2, et le canon n 4 C 4 présente la chambre de plus faible volume. Chacun des canons émet deux signaux distincts. Le premier apparaît lorsque l'air comprimé est déchargé 35 dans l'eau Cette impulsion est représentée sous la forme d'une saillie s'étendant vers le bas ou "première attaque" 22 de chacune des courbes L'énergie que l'impulsion engendre dans l'eau est proportionnelle à la surface hachurée délimitée par la première attaque 22 Le canon engendre une impulsion secondaire 24 qui apparaît lorsque la bulle s'affaisse La fréquence de la source est égale à l'inverse du temps compris entre la première 5 impulsion 22 et l'impulsion 24 de la bulle Il apparaît que lorsque ces signaux sont tous additionnés, la différence entre la somme des quatre impulsions 22 de bulle et les impulsions secondaires 24 est importante En fait, il peut même être difficile de distinguer les 10 impulsions secondaires 24 d'autres bruits de fond. Les canons sont dimensionnés différemment, non seulement pour permettre une réception séquentielle des impulsions secondaires, mais également pour permettre une bonne résolution de petites caractéristiques présentes au15 dessous de la surface, par exemple à l'aide du canon 4, et une pénétration profonde par la basse fréquence et la plus grande puissance du canon 1. La figure 3 A représente le canon selon l'invention pouvant être utilisé pour l'un quelconque 20 des canons 1 à 4 montrés sur les figures 1 et 2 Le canon à air selon l'invention est constitué de deux parties principales La première partie, qui est à gauche de la bride 26 sur la figure 3 A, est l'ensemble 28 de commande et à orifices L'autre partie, à droite 25 de la bride 26, est l'ensemble 30 à chambres variables. L'ensemble 28 de commande et à orifices peut être de conception classique et constitué de l'un quelconque des éléments décrits ci-dessus dans le préambule du présent mémoire De l'air sous haute pression, 30 c'est-adire une pression comprise entre 1400 et 000 k Pa, est introduit dans le canon à air par l'intermédiaire d'une conduite 32 à haute pression de façon à pénétrer dans la chambre 34 de commande puis, par un canal axial 36 ménagé dans une navette 38, dans 35 une chambre variable 40. La navette 38 comporte un premier piston 42 qui s'applique contre un joint 44, par exemple une bague torique capable de retenir le gaz comprimé dans la chambre 34 de commande La navette 38 comporte, à son extrémité opposée, un second piston 46 qui porte contre un joint 48 *et qui a pour fonction de retenir la pression du gaz renfermé dans la chambre variable La pression du gaz dans la chambre 34 de commande, agissant contre le piston 42, sert à maintenir le piston 46 contre le joint 48. Lorsque le canon à air selon l'invention 10 est actionné par application d'un signal électrique à une électrovalve 50, cette dernière s'ouvre rapidement pour permettre au gaz comprimé de la chambre 34 de passer par un canal 52 dans un canal 54 qui conduit à la surface du piston 42 opposée à celle tournée vers 15 la chambre 34 de commande La force du gaz se trouvant dans la chambre 34 de commande est donc compensée et le gaz comprimé dans la chambre variable 40 repousse la navette 38, par l'intermédiaire du second piston 36, dans la chambre 34 de commande, ouvrant ainsi les 20 orifices 18 de décharge afin que le gaz comprimé se trouvant dans la chambre variable 40 puisse passer dans l'eau environnante La navette 38 est représentée sur la figure 3 B en position de tir exécuté L'orifice 18 est ouvert entre la chambre variable 40 et l'eau 25 environnante. Pour ramener la navette 38 vers la position représentée sur la figure 3 A, on ferme l'électrovalve 50 afin d'isoler le canal 52 du canal 54 L'air sous haute pression contenu dans la conduite 32 exerce alors30 une pression sur le premier piston 42 et ramène la navette 38 vers la position montrée sur la figure 3 A. Dès que-la chambre 34 de commande et la chambre variable 40 sont sous pression, le canon est alors prêt à un nouveau tir. L'ensemble 28 de commande et à orifices peut être constitué -d'une seule pièce moulée usinée 56 maintenue sur le corps 58 de l'ensemble 30 à chambre variable par la bride 26. Dans l'autre partie importante de la source sismique, à savoir l'ensemble 30 à chambre variable, le piston 60 fait varier le volume de la chambre fermée 5 40 Le piston 60 est représenté, sur la figure 3 A, dans la position établissant une cylindrée minimale dans la chambre variable 40 Sur la figure 3 B, le piston 60 est représenté dans une position établissant une cylindrée maximale dans la chambre variable 40 Le 10 piston 60 comporte, à l'extrémité opposée à celle se trouvant dans la chambre variable 40, un piston hydraulique 62 à double effet Le piston 60 est traversé par un petit trou 61 permettant à des fluides se trouvant en arrière de la tête du piston de pénétrer ou de s'échap15 per lorsque ce piston est déplacé Le piston 62 est entouré de deux volumes hydrauliques 64 et 66 L'ensemble 67 de commande hydraulique fait varier le volume du fluide hydraulique sous haute pression entre les volumes 64 et 66 afin de faire exécuter un mouvement alternatif 20 du piston 60 dans son alésage et donc de commander le volume de la chambre variable 40 Pour cette variation, le piston 66 est équipé d'un dispositif de réaction constitué d'une vis à billes 68 qui est montée fixement sur le piston 60 et une vis 70 qui tourne à l'intérieur 25 de la vis à billes 68 lorsque le piston 60 est animé d'un mouvement alternatif Le piston 60 ne tourne pas à l'intérieur du corps 58 en raison de la présence d'une tige 72 L'ensemble hydraulique 67 de commande est avantageusement du type décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N 3 695 295 Cette forme d'ensemble hydraulique 67 de commande utilise un moteur pas à pas 74 Ce moteur 74, qui exécute des mouvements par petits pas, par exemple des rotations d'un degré, déplace un arbre 76 Ce dernier, que l'on peut voir plus claire35 ment sur la figure 3 C, est lui-même relié à une coupelle 78 qui comporte un ergot intérieur 80 pouvant coulisser dans une rainure 82 d'un tiroir 84 de vanne L'arbre 76 peut se déplacer dans des paliers 85 La rainure 82 est usinée de manière que, lorsque l'ergot 80 coulisse dans cette rainure, le tiroir de vanne qui lui est relié se déplace d'une manière linéaire De cette façon, 5 le mouvement de rotation du moteur pas à pas 74 est converti en un mouvement linéaire axial du tiroir de vanne 84 Un fluide hydraulique sous haute pression arrivant par une conduite 86 est introduit par l'un ou l'autre de deux canaux 88 et 90, suivant la direction 10 du mouvement axial du tiroir de vanne 84 A titre illustratif, si le tiroir de vanne 84 est déplacé vers la droite dans l'orientation de la figure 3 C, le fluide à haute pression s'écoule par la conduite hydraulique 86 sous haute pression, au-delà du tiroir 84, dans 15 le canal 90 puis dans le volume hydraulique 64 Simultanément, le fluide hydraulique se trouvant dans le volume 66 s'écoule par le canal 88 au- delà du tiroir 84 et sort par une conduite hydraulique 92 de retour Le mouvement du piston 60 a pour effet de faire tourner 20 la vis 70 à l'intérieur de la vis à billes 68 et, par conséquent, une bride 94 fixée à l'extrémité de la vis 70 La bride 94 est traversée par un trou 96 dans lequel pénètre un ergot 98 monté sur un rotor 100. Ce dernier est monté fixement sur le tiroir de vanne 25 84 Lorsque la vis 70 tourne et fait tourner la bride 94 et donc le rotor 100, le tiroir de vanne 84 tourne également -et se déplace axialement à l'intérieur de son alésage 102 et, en raison de l'association entre l'ergot 80 et la rainure 82, il tend à revenir vers 30 sa position initiale ou équilibrée. D'autres procédés et dispositifs convenant au déplacement d'un piston tel que le piston 60, en un mouvement alternatif dans un alésage, sont bien connus dans la technique Il est évident que le dispositif 35 hydraulique 67 de commande n'est pas indispensable à la mise en oeuvre de l'invention D'autres moyens sont connus et apparaîtront de façon évidente à l'homme de l'art. 1 l REVENDICATIONS 1 Source sismique sous-marine comprenant un corps ( 58) qui renferme une chambre ( 40) d'emmagasinage de gaz, une navette ( 38) destinée & retenir un gaz comprimé dans la chambre d'emmagasinage, et au moins un orifice ( 18) d'échappement destiné à libérer le gaz comprimé de ladite chambre d'emmagasinage, caractérisee en ce qu'elle comporte un piston ( 60) coulissant et disposé fixement à l'intérieur de la chambre d'emma10 sinage de gaz, et relié à un actionneur hydraulique ( 67) afin que le volume de la chambre d'emmagasinage puisse être modifié. 2 Source sismique sous-marine, caractérisée en ce qu'elle comporte un corps ( 58) présentant au 15 moins un orifice ( 18) d'échappement, une chambre ( 40) d'emmagasinage de gaz présentant un volume qui peut être modifié à distance et qui est destiné à emmagasiner de l'air comprimé, cette chambre renfermant une navette ( 38) portant un premier piston ( 46) destiné à fermer 20 ladite chambre d'emmagasinage, et des moyens destinés à déplacer la navette, ouvrir la chambre d'emmagasinage de gaz et libérer l'air comprimé de cette chambre par ledit orifice d'échappement afin de produire une impulsion sismique. 3 Source sismique sous-marine selon la revendication 2, caractérisée en ce que le corps comprend également une chambre ( 34) de commande et la navette comprend également un piston ( 42) de commande destiné à fermer la chambre de commande lorsque le premier 30 piston ( 46) ferme la chambre d'emmagasinage de gaz. 4 Source sismique sous-marine selon la revendication 3, caractérisée en ce qu'elle comporte egalement une première alimentation en air de la chambre d'emmagasinage de gaz. 5 Source sismique sous-marine selon la revendication 3, caractérisée en ce qu'elle comporte également une seconde alimentation en air commandée par des moyens ( 50) d'actionnement afin de fournir de l'air au piston de commande pour déplacer la navette et agir, avec lesdits moyens, de façon à déplacer la navette. 6 Source sismique sous-marine selon la revendication 5, caractérisée en ce que les moyens d'actionnement comprennent une bobine. 7 Source sismique sous-marine, caractérisée en ce qu'elle comporte un corps ( 58) présentant au 10 moins un orifice ( 18) d'échappement, une chambre sensiblement cylindrique ( 40) d'emmagasinage de gaz dans laquelle peut coulisser et se fixer un piston ( 60) qui définit un volume variable pouvant être modifié par coulissement du piston, une chambre ( 34) 15 de commande qui renferme une navette ( 38) portant un premier piston ( 42) destiné à fermer cette chambre de commande et un second piston ( 46) destiné à fermer la chambre d'emmagasinage de gaz, les premier et second pistons étant sensiblement parallèles entre eux et 20 situés aux extrémités opposées d'une tige de navette traversée par un canal ( 36), des premiers moyens d'alimentation en air fournissant de l'air comprimé -à la chambre d'emmagasinage de gaz par l'intermédiaire de la chambre de commande et du canal de la tige de la 25 navette, et des seconds moyens d'alimentation en air commandés par des moyens d'actionnement ( 50) étant destinés à fournir de l'air au premier piston pour déplacer la navette et, ainsi, ouvrir la chambre d'emmagasinage de gaz et libérer l'air comprimé en le faisant 30 passer par ledit orifice d'échappement pour produire ainsi une impulsion sismique. 8 Source sismique sous-marine selon la revendication 7, caractérisée en ce que les moyens d'actionnement comprennent une bobine. 9 Source sismique sous-marine, caractérisée en ce qu'elle comporte un corps ( 58) présentant au moins un orifice ( 18) d'échappement, une chambre sensiblement cylindrique ( 40) d'emmagasinage de gaz dans laquelle un piston ( 60) peut coulisser et se fixer de façon à définir un volume variable, le piston étant relié par une tige à un piston hydraulique ( 62) à double effet disposée entre deux volumes hydrauliques ( 64, 5 66) qui communiquent avec des moyens hydrauliques ( 67) de commande afin que ces derniers puissent faire varier la quantité de fluide hydraulique contenu dans les deux volumes, déplacer le piston hydraulique et, par conséquent, la tige de façon à faire coulisser le piston 10 pour faire varier le volume de la chambre à gaz, la source comprenant également une chambre ( 34) de commande qui contient une navette ( 38) portant un premier piston ( 42) destiné à fermer cette chambre de commande et un second piston ( 46) destiné à fermer la chambre d'emma15 sinage de gaz, les premier et second pistons étant sensiblement parallèles entre eux et situés aux extrémités opposées d'une tige de navette traversée par un canal ( 36), les premiers moyens d'alimentation en air étant destinés à fournir de l'air comprimé à la chambre d'emma20 gasinage de gaz par l'intermédiaire de la chambre de commande et du canal de la tige de la navette, et des seconds moyens d'alimentation en air, commandés par des moyens d'actionnement ( 50) étant destinés à fournir de l'air au premier piston pour déplacer la navette 25 et, ainsi, ouvrir la chambre d'emmagasinage de gaz et libérer de l'air comprimé en le faisant passer par ledit orifice d'échappement de façon à produire une impulsion sismique. Source sismique sous-marine selon la 30 revendication 9, caractérisée en ce que les moyens hydrauliques de commande comprennent une servo-valve hydraulique. 11 Source sismique sous-marine selon la revendication 10, caractérisée en ce que les moyens 35 hydrauliques de commande sont en réaction mécanique avec la position du piston hydraulique à double effet. 12 Source sismique sous-marine selon la revendication 11, caractérisée en ce que la réaction mécanique comprend une vis à billes ( 68) montée fixement sur le piston hydraulique à double effet, et une vis ( 70) passant à l'intérieur de la vis à billes et comman5 dant la réaction vers la servo-valve. 13 Source sismique sous-marine selon la revendication 11, caractérisée en ce que la servovalve est commandée directement par un moteur pas à pas ( 74).