Brevet FR2557704A1 — publié le 19850705

L'invention concerne une source sismique accordable compacte destinée à générer des signaux sismiques pour la recherche de pétrole au-dessous d'une masse d'eau. Elle a trait en particulier à une source comportant un grand nombre de plaques acoustiques rayon- nantes qui forment une zone de rayonnement sismique total élevé sans faire appel à des plaques simples trop grandes. L'impédance mécanique de sortie de la source sismique peut être réglée de manière qu'un pourcentage élevé de l'énergie appliquée au transducteur de la source soit converti en énergie sismique dans l'eau. La source sismique est avantageusement d'un type produisant un signal modulé en fréquence qui balaie au moins une partie du spectre comprise entre 10 et 100 Hz. La recherche, toujours plus difficile, du pétrole a conduit à l'exploration de régions que beaucoup considéraient, il y a peu de temps encore, incapables de donner du pétrole à un colt économiquement raisonnable. L'enchérissement du pétrole, associé à sa relative pénurie domestique, a rendu acceptables les coûts de production en Alaska et en Mer du Nord, ainsi que dans un certain nombre de zones marines. Parmi les nombreux procédés utilisés pour la prospection du pétrole marin, peu ont été aussi largement acceptés que l'utilisation de sources sismiques marines remorquables. Le mode opératoire théorique des sources sismiques marines pour la recherche du pétrole est très simple. Un signal sismique est introduit dans la masse d'eau. L'onde descend en se propageant à travers l'eau, franchit l'interface eau-fond et pénètre dans les formations géologiques se trouvant au-dessous du fond. Les échos résultants sont réfléchis, dans une certaine mesure, en parcourant le même trajet vers un dispositif d'hydrophones placés à proximité de la surface de l'eau. Une analyse des signaux produits par les hydrophones peut fournir certaines informations concernant la structure des formations géologiques se trouvant au-dessous du fond et de l'accumu- lation de pétrole correspondante dans ces formations. Le terme "eau" utilisé ici englobe les marais, la boue, les marécages, l'eau de mer ou tout autre liquide contenant suffisamment d'eau pour permettre la mise en oeuvre de l'invention. Il existe de nombreux procédés différents pour produire une impulsion sismique. Par exemple, les essais les plus anciens ont consisté à utiliser des explosifs solides. Ce procédé produit un signal puissant, de basse fréquence qui parvient donc à une pénétration relativement importante dans les formations géologiques situées au-dessous du fond et un puissant écho en retour. Cependant, les explosifs solides présentent certains inconvénients qui leur sont propres: ils sont dangereux à stocker, à manipuler et à utiliser. Lorsqu'ils sont mis à feu en eau libre, ils détruisent toute vie marine. Dans une zone peuplée telle qu'un port, ils ne peuvent être aucunement utilisés. Les explosifs solides sont d'un coût d'utilisation, par unité de tir, plusieurs fois supérieur à celui de la plupart des autres sources acoustiques. Il est extrêmement difficile de modifier la signature pour parvenir à une distribution acceptable du spectre de fréquences. Un appareil utilisant des mélanges gazeux explosifs, par exemple propane et oxygène, pour produire un signal sismique sous la forme d'une impulsion ou dtune onde de choc a obtenu un large succès. Les deux types principaux de canons à gaz explosif sont: tout d'abord, ceux qui travaillent par explosion d'un mélange gazeux en arrière d'une membrane flexible en contact avec l'eau; et, en second, ceux qui travaillent en permettant le passage dans l'eau de la bulle brusquement formée par l'explosion du gaz. Un exemple d'appareil du premier type peut être trouvé dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N 3 658 149 et un exemple d'un appareil du second type peut être trouvé dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N 4 193 472. D'autres dispositifs utilisant des gaz comprimés sous haute pression pour générer une impulsion sismique ont également obtenu un large succès dans l'industrie. Ces appareils, ou canons, utilisent générale- ment une chambre de retenue de gaz qui est mise sous pression pour atteindre un certain niveau préalablement établi et qui est mise à feu en permettant au gaz comprimé de sortir de façon explosive du canon pour passer dans l'eau environnante. Des exemples de canons à gaz comprimé, à orifice ouvert, peuvent être trouvés dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique N 3 653 460 et N 4 141 431. Le dispositif selon l'invention est un élément d'un type qui génère un signal relativement instantané, de faible puissance et basse fréquence (10-100 Hz), appelé parfois "piaulement" qui s'étend sur une période de quelques secondes. Les signaux émis sont avantageusement de basse fréquence afin de réduire les pertes par amor- tissement dans les ondes réfléchies. A la différence des dispositifs décrits précédemment, qui émettent une impulsion de courte durée et produisent ainsi un écho distinct à un instant pouvant être aisément déterminé, les dispositifs à piaulement font souvent varier la fréquence du signal émis, d'une certaine manière préalablement établie, afin qu'une fréquence particulière du signal réfléchi puisse être mise en corrélation, en fonction du temps, avec cette même fréquence du signal émis. On peut soumettre à un traitement mathématique un groupe de signaux reçus ou "trace " afin de produire une carte souterraine. Le transducteur des dispositifs vibrateurs sous-marins est généralement un piston ou une plaque acoustique en contact avec l'eau et commandé par un actionneur pneumatique ou hydraulique, modulé à la fréquence souhaitée. Un exemple d'un tel dispositif est décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N 4 211 301. Ce brevet ne décrit pas de procédé destiné à régler ou accorder en continu la source pour une émission maximale et il ne suggère pas non plus l'utilisation d'un grand nombre de plaques accouplées, se déplaçant ensemble pour produire des ondes sismiques. Il existe une limite quant à la quantité d'énergie pouvant être introduite dans une onde acoustique sous-marine. Cette quantité dépend, entre autres,de la dimension du transducteur, de l'amplitude de l'oscillation, de la profondeur à laquelle se trouve la source, de la température et de la salinité de l'eau, et de la fréquence de l'émission. Lorsque cette quantité de seuil d'énergie induite est dépassée, la source fait l'objet d'une cavi- tation et produit des bulles de gaz plutôt qu'un signal acoustique net. Néanmoins, la force du signal acoustique doit être élevée au maximum pour assurer l'écho le plus puissant possible. L'invention telle que décrite dans le présent mémoire a trait à un appareil conçu pour élever au maximum le rendement d'une telle source sismique marine par réglage de son impédance de sortie de manière qu'un plus grand pourcentage de la puissance d'entrée soit utilisé pour faire rayonner de l'énergie acoustique. On connait d'autres sources sismiques marines conçues pour empêcher la cavitation. Le brevet des Etats- Unis d'Amérique N 3 691 516 décrit un appareil comportant deux pistons acoustiques placés à ses extrémités opposées. Les pistons acoustiques sont maintenus à l'extérieur du centre de la source sismique par deux chambres à volume variable. On fait descendre, puis remonter à la valeur initiale, de façon répétée, la pression régnant dans les chambres à volume variable. Cette brusque réduction de pression provoque un déplacement des pistons vers l'inté- rieur, amorçant l'impulsion. Des cylindres hydrauliques, reliés aux pistons par l'intermédiaire des tiges de ces derniers, tendent ensuite à ramener les pistons dans leurs positions initiales d'extension. L'accélération des pistons est contrôlée au moyen d'une boucle de réaction afin que les pistons produisent la plus grande puissance acoustique possible de sortie, telle que limitée par le seuil de cavitation. On fait varier le taux d'accélération en agissant sur la pression du fluide introduit dans les cylindres hydrauliques précités. On fait varier la fréquence du dispositif au moyen d'un mécanisme à pivot et balancier coopérant avec les cylindres hydrauliques de rappel des pistons. Le dispositif décrit dans le brevet N 3 691 516 précité produit une impulsion possédant la plus grande puissance pouvant être atteinte compte tenu des dimensions physiques des pistons acoustiques dans leur fluide ambiant particulier. Le dispositif fonctionne avantageusement juste audessous du seuil de cavitation. Il ne fait pas varier son impédance de sortie pour élever au maximum la puissance de sortie pour une puissance d'entrée particulière disponible, comme c'est le cas de l'appareil selon l'invention. D'autres sources sismiques marines qui suggèrent un réglage ou un accord pour une puissance de sortie maximale sont décrites, à titre d'exemples, dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique N 3 349 367, N 3 392 369, N 4 030 063 et No 4 142 171. Cependant, chacun de ces brevets porte sur une source à fréquence unique. La source sismique marine selon l'invention comporte un grand nombre de plaques rayonnantes, montées aux extrémités opposées d'un bâti de support, et qui sont commandées par un cylindre hydraulique d'entraînement équilibré à double effet. La source produit un signal modulé en fréquence qui présente avantageusement un balayage linéaire sur un spectre de basses fréquences par modulation du fluide hydraulique introduit dans le cylindre d'entraînement. L'impédance mécanique de la série de plaques rayonnantes peut être modifiée en continu à l'aide de la fréquence de balayage par la fixation de ressorts de différentes raideurs aux différentes plaques rayonnantes. En faisant varier de cette manière la raideur effective des ressorts, on confère au dispositif un rendement optimal en donnant à l'impédance de sortie des plaques rayonnantes une forme constituée principalement d'une résistance de rayonnement. L'invention sera décrite plus en détail en regard du dessin annexé à titre d'exemples nullement limitatifs, sur lequel: - la figure 1 est une vue en perspective d'une forme de réalisation de l'invention utilisant six plaques rayonnantes sismiques; la figure 2 est une coupe longitudinale schématique partielle du dispositif représenté sur la figure 1; et - la figure 3 est une coupe longitudinale partielle d'une variante de l'invention. L'appareil décrit, conformément à l'invention, est un dispositif conçu pour émettre un signal modulé en fréquence, variant de façon constante, qui balaie au moins une partie de la bande de fréquences comprise entre Hz et 100 Hz. Il est prévu que la source sismique selon l'invention puisse être remorquée par un navire sismique qui se déplace pendant que la source fonctionne. Générale- ment, une flûte marine contenant jusqu'à mille hydrophones ou plus est également remorquée derrière le navire sismique pour capter les signaux sismiques d'écho renvoyés, par exemple, par les formations géologiques situées au-dessous du fond. Dans tous les cas, la source sismique, telle que représentée en perspective sur la figure 1, utilise un certain nombre d'éléments rayonnants rigides dont les mouvements sont commandés par un actionneur hydraulique oscillant à la fréquence souhaitée. La façon dont on fait varier la fréquence est une fonction de choix technique. En général, le rythme de variation de la fréquence est linéaire avec le temps. Cependant, le rythme peut ne pas être linéaire et la bande de fréquences peut ne pas être continue. Par exemple, si la distance comprise entre le fond et la surface de la masse d'eau est un multiple d'une certaine longueur d'ondes comprise dans la bande balayée, la fréquence associée à cette longueurd'ondes peut être supprimée de la bande. La fréquence peut croître ou décroître avec le temps. Des plaques rayonnantes multiples sont utilisées pour rendre plus efficaces le fonctionnement et la cons- truction du dispositif selon l'invention. La puissance rayonnée par une source sismique est proportionnelle au carré de la surface totale des plaques rayonnantes. Pour rayonner une énergie sismique appréciable, il est important que la puissance rayonnante utile soit grande. En groupant ou accouplant ensemble un certain nombre de plaques rayonnantes plus petites sur une seule tige plutôt qu'en faisant appel à une seule plaque plus grande, on peut réduire notablement la section de la source sismique. Il est évident qu'une source sismique de faible section est plus aisée à remorquer à travers l'eau. Les plaques plus petites sont beaucoup plus aisées à réaliser rigidement et, par conséquent, ont une plus grande longévité que des plaques de plus grande dimension. L'appareil selon l'invention, représenté sur la figure 1, utilise un certain nombre de plaques rayon- nantes 10. Les trois plaques rayonnantes situées sur le côté gauche du dispositif, comme montré sur la figure 1, sont groupées ou montées ensemble sur une tige 12 d'entraînement afin qu'elles se rapprochent ou s'éloignent simultanément du centre du dispositif. La tige 12 d'entraî- nement peut être vue plus clairement à l'extrémité droite de la figure 1. Elle passe à travers chacune de plusieurs contreplaques 14. Les trous 16 de passage de la tige dans les contreplaques 14 peuvent être vus sur le côté droit de la figure 1. Les plaques rayonnantes sont fixées aux contreplaques au moyen de soufflets flexibles ou de ressorts à air 18. Les contreplaques 14 sont généralement solidarisées les unes aux autres et maintenues en position, à une distance généralement fixe les unes des autres, par des tiges 20 de bâti. Les deux contreplaques 14 situées le plus à l'intérieur sont également reliées à un corps 22. Ce dernier contient les éléments hydrauliques nécessaires à l'entraînement simultané des deux batteries gauche et droite de plaques rayonnantes, dans des directions opposées. Des oeils 24 sont utilisés pour le remorquage du dispositif à partir du navire sismique. Le mode d'entraînement dos à dos des plaques rayonnantes réduit au minimum les forces exercées sur le corps 22. Le mouvement simultané vers l'extérieur des plaques rayonnantes permet à ce corps 22 de rester relativement immobile. Les servovalves, cylindres hydrau- liques d'entraînement et autres équipements appropriés incorporés ne sont donc pas soumis à des forces d'accélé- ration nuisibles. La figure 2 représente en coupe une moitié du dispositif montré sur la figure 1. Les trois plaques rayonnantes 10, les contreplaques 14 et la tige 12 d'en- traînement y sont représentées. Il convient de noter que la tige 12 d'entraînement est fixée à chacune des plaques rayonnantes 10. La masse de la charge rayonnante portée par une plaque rayonnante circulaire est proportionnelle au cube du rayon. En utilisant un certain nombre de plaques rayonnantes,le dispositif présente la même surface rayonnante utile qu'une seule plaque plus grande, mais avec une masse constituant une charge totale beaucoup plus faible. Les tiges 20 du bâti sont fixées à chacune des contreplaques 14. Le corps 22 et son oeil 24 sont rigidnement reliés aux contreplaques 74. Les ressorts à air 18 forment un côté d'un joint empêchant l'eau de pénétrer entre les plaques rayonnantes 10 et les contreplaques 14. Des souf- flets intérieurs 26 forment le joint compris entre les contreplaques 14 et la tige 12 d'entraînement et empêchant l'eau provenant de la masse d'eau environnante de pénétrer, par le trou 16 de passage, dans le volume compris entre les plaques rayonnantes 10 et les contreplaques 14. Un cylindre hydraulique 28 à double effet est représenté à l'intérieur du corps 22, ainsi que son piston bidirection- nel 30. Dans cette configuration, le piston 30 est représenté comme faisant partie de la tige 12 d'entraînement. Il est évidemment beaucoup plus classique qu'un piston hydraulique puisse être démonté de la tige d'entraînement. Un ressort 32 est également représenté à l'intérieur du corps 22. Ce ressort est fixé au cylindre 28 de l'élément d'entraînement et la tige 12 d'entraînement pour régler ou accorder la charge de rayonnement acoustique totale et il aide également à ramener le piston 30 en position d'équilibre. Ainsi qu'il ressort de la la figure 1, une disposition symétrique des pièces montrées sur la figure 2 est présente sur le côté gauche de la figure 1. La figure 3 représente, en coupe partielle, un autre dispositif pour relier la plaque rayonnante 10a à la tige d'entraînement. Ce dispositif est très similaire à l'agencement de la figure 2, sauf que la plaque rayonnante 10a est reliée à la tige d'entrainement 12 par un ressort 34 plutôt que par le joint rigide montré sur les autres figures. Un soufflet supplémentaire 36 est également utilisé pour empêcher l'eau de pénétrer dans le volume compris entre la plaque rayonnante 10a et la contre paque 14 et pour entraîner la plaque rayonnante 10a. Un soufflet 36 peut, en variante, être placé sur le côté extérieur des ressorts 34 pour les protéger de l'eau ambiante. Cette variante travaille de la manière suivante: le cyclindre hydraulique déplace la tige d'entraînement 12 vers la droite. Ce mouvement étire le ressort 34 et le soufflet 36 en même temps qu'il comprime le soufflet 26. La contre- plaque 14 reste fixe. La plaque rayonnante 10a se déplace vers la droite. Lorsque la tige 12 d'entraînement inverse son mouvement et se déplace vers la gauche, l'action opposée à celle décrite ci-dessus se produit. Dans tous les cas, cette disposition rend également possible d'accorder ou de régler la charge du rayonnement acoustique de la source en fonction de la fréquence. Par exemple, dans le montage symétrique ou push-pull représenté ici, un signal modulé en fréquence à balayage lent est généré. En choisissant différents ressorts 36 le long de la tige 12 d'entraînement, on peut émettre de l'énergie sismique à partir de toutes les plaques rayonnantes à de basses fréquences et à partir d'un nombre plus faible de plaques rayonnantes à une fréquence particulière plus élevée. Chaque plaque rayon- nante est en fait découplée de la tige d'entraînement à environ 2.> o: n v = (Kn/ ') /2 et un = pulsation de la source Kn raideur du ressort couplant la plaque rayonnante à la tige d'entraînement Mn = masse de la charge de rayonnement plus masse de la plaque rayonnante Le facteur n (1' 2' w3'...) est réparti le long de la bande sismique en fonction du choix de ressorts appropriés 36 et on accroît le rendement de la source sismique répartie globale en faisant varier la charge mécanique en fonction de la fréquence instantanée du signal modulé en fréquence émis. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées à la source sismique marine décrite et représentée sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Source sismique marine destinée à produire un signal sismique dans une masse d'eau, caractérisée en ce qu'elle comporte un corps central (22) présentant deux extrémités,des actionneurs doubles (28) disposés dans le corps central et conçus chacun pour faire osciller un groupe de plaques rayonnantes sismiques menées (10) disposées au-delà d'une extrémité du corps central par l'intermédiaire d'une tige (12) d'entraînement reliée fixement aux plaques rayonnantes sismiques, ces dernières étant conçues pour produire un signal sismique répétitif dans ladite masse d'eau en étant soumises à une oscillation et possédant une fréquence qui varie en fonction du temps, les actionneurs étant en outre conçus pour faire osciller les tiges d'entraînement à peu près simultanément dans des directions opposées par rapport au centre du corps central; des tiges d'entraînement doubles étant reliées chacune à un groupe de plaques rayonnantes et aboutissant à l'un des actionneurs, des groupes doubles de plaques rayonnantes (10) étant fixes chacun à une tige d'entraînement et chaque plaque comportant un bord extérieur relié à un soufflet (18) qui est lui-même relié à une contreplaque (14), les plaques rayonnantes et les contreplaques étant destinées à être en contact avec la masse d'eau par une seule face, des jeux doubles de contreplaques (14) étant posi- tionnés fixement de façon à rester immobiles par rapport au corps central, chaque jeu étant placé au-delà d'une extrémité du corps central, et des moyens à ressort (32) étant conçus pour rappeler les diverses plaques rayonnantes vers le milieu de leur mouvement oscillant. 2. Source sismique selon la revendication 1, caractérisée en ce que chaque tige d'entraînement passe à travers le jeu associé de contreplaques. 3. Source sismique selon la revendication 2, caractérisée en ce que l'étanchéité est assurée entre chaque contreplaque et la tige d'entraînement par un soufflet (26). 4. Source sismique marine destinée à produire un signal sismique dans une masse d'eau, caractérisée en ce qu'elle comporte un corps central (22) présentant deux extrémités, des actionneurs doubles (28) disposés à l'inté- rieur du corps central et conçus chacun pour faire osciller un groupe de plaques rayonnantes sismiques menées (10a), chaque groupe étant disposé au-delà d'une extrémité du corps central et étant actionné par une tige (12) d'entrai- nement qui est reliée à chaque plaque rayonnante par un ressort (34) et un soufflet (36), les actionneurs étant conçus pour produire un signal sismique répétitif en faisant osciller les plaques rayonnantes à une fréquence qui varie en fonction du temps, les actionneurs étant en outre conçus pour faire osciller les tiges d'entraînement à peu près simultanément dans des directions opposées par rapport au centre du corps central, des tiges doubles (12) d'entraîne- ment étant reliées chacune à un groupe de plaques rayon- nantes par l'intermédiaire d'un ressort (34) et d'un soufflet (36) et aboutissant chacune à l'un des actionneurs, deux - groupes de plaques rayonnantes (10a) étant reliés chacun à une tige d'entraînement (12) par un ressort (34) et un soufflet (36) et présentant en outre chacun un bord extérieur relié à un soufflet (18) qui est lui-même relié à une contreplaque (14), les plaques rayonnantes et les contreplaques étant conçues pour être en contact avec la masse d'eau par une seule face, et des jeux doubles de contreplaques (14) étant disposés de façon à rester immobiles par rapport au corps central, chaque jeu étant placé au-delà d'une extrémité du corps central. 5. Source sismique selon la revendication 4, caractérisée en ce que chaque tige d'entraînement passe à travers le jeu associé de contreplaques. 6. Source sismique selon la revendication 5, caractérisée en ce que l'étanchéité est assurée entre chaque contreplaque et la tige d'entraînement correspondante par un soufflet (26). 7. Source sismique selon la revendication 6, caractériséeen ce que chaque ressort d'un groupe de plaques rayonnantes présente une raideur différente de celle de tout autre ressort de ce groupe. 8. Source sismique selon la revendication 6, caractérisée en ce qu'au moins un ressort de chaque groupe de plaques rayonnantes présente une raideur différente de celle de tout autre ressort de ce groupe. 9. Source sismique selon l'une des revendications 1 et 4, caractérisée en ce que les actionneurs sont conçus pour effectuer un balayage sur une bande comprise entre environ 10 Hz et environ 100 Hz. 10. Source sismique selon l'une des revendi- cations 1 et 4, caractérisée en ce que les actionneurs sont conçus pour effectuer un balayage sur une partie de la bande comprise entre environ 10 Hz et environ 100 Hz.