Brevet FR2588968A1 — publié le 19870424

DISPOSITIF DE DETECTION D'ONDES SISMIQUES ET INSTALLATION DE PROSPECTION SISMIQUE MARINE MONOTRACE COMPORTANT UN TEL DISPOSITIF L'invention concerne un dispositif de détection d'ondes sismiques conçu pour etre utilisé en prospection sismique marine monotrace, ainsi qu'une installation de prospection sismique marine monotrace comportant un tel dispositif. La prospection sismique est utilisée aujourd'hui de façon courante comme technique de reconnaissance des sols et de prospection géophysique en général, par exemple dans l'industrie pétrolière. L'invention concerne plus précisément la prospection sismique marine de type monotrace. Cette technique se caractérise par l'utilisati-on d'une source d'énergie remorquée par un bateau et émettant dans l'eau, à intervalles réguliers, des ondes sismiques qui se propagent vers le fond marin. Ces ondes sont réfle- chies sur le fond et sur les différentes couches constituant le sous-sol, vers un détecteur d'ondes sismiques constitué généralement par un hydrophone également remorqué par le bateau. Lors de la mesure d'un profil, le navire se déplace réguLièrement selon une direction donnée et la source d'énergie remorquée par le navire effectue des tirs à intervalles réguliers relativement rapprochés, par exemple toutes les demi-secondes. Le détecteur reçoit les ondes sismiques réfléchies par le fond marin et par les différentes couches constituant le sous-sol, à la suite de chacun des tirs. Cette technique de prospection est généralement appelée prospection sismique '1continue" car les mesures se font sans arrêter le bateau. Compte tenu de l'utilisation d'un seul détec teur, chaque tir donne lieu à une trace unique justifiant l'appellation de sondage sismique "monotrace" donnée à cette technique. Les enregistrements successifs de cette trace sont juxtaposés pour former un profil vertical représentatif de l'allure des réflecteurs que constituent le fond marin et les différentes couches du sous-sol. Sur ce profil, les abscisses sont graduées en distances x, mesurées horizontalement, et les ordonnées sont graduées en durée de trajet t des ondes sismiques. Dans Les relevés de profils réalisés selon cette technique du sondage sismique monotrace, les ordonnées dépendent donc à la fois de la distance séparant les réflecteurs de la surface et de la vitesse de deplacement des ondes sismiques dans les différentes couches traversées. Si l'on souhaite restituer complètement la réalité géologique, il faut donc connaStre les vitesses de déplacement des ondes dans les différentes couches. Parmi les quelques techniques connues, on citera tout d'abord la technique consistant à prélever un échantillon du fond par carottage, puis à mesurer la vitesse de propagation d'ondes ultrasonores dans le sédiment au moyen d'un célérimètre. Toutefois, cette technique ne peut être utilisée facilement que dans le cas de fonds peu profonds, et elle est toujours lourde à mettre en oeuvre. Selon une autre technique connue, on place un deuxième hydrophone sur une ou plusieurs bouées qui sont mouillées avant la mesure d'un profil. Les signaux reçus par l'hydrophone sont transmis par radio au navire qui s'en éloigne ou s'en rapproche. Lorsque le profil est enregistré, la bouée doit généralement être re cupérée par retour du navire à son point de départ. Dans certains cas, la bouée est conçue de façon à couler après quelques heures d'immersion. Ordinairement, on effectue les mesures de profil jusqu a une hauteur de houle d'environ 5 m. En effet, au-dessus de cette hauteur, il faudrait utiliser des gros bateaux et il y aurait beaucoup plus de bruit dans les hydrophones. Lorsque la hauteur de houle est inférieure à 0,5 m, ce qui correspond pratiquement au calme plat, on peut considérer que le temps de parcours des ondes sismiques entre la source et les récepteurs n'est pratiquement pas affecté par la houle. En revanche, lorsque la hauteur de houle est comprise entre 0,5 m et 5 m, ce temps de parcours est perturbé par la houle, car la distance parcourue par les ondes entre la source et les récepteurs varie selon que ces deux appareils se trouvent dans un creux ou, au contraire, en un point haut. Actuellement, ces perturbations dues à la houle ne sont pas prises en compte lors du traitement des signaux, ce qui conduit à des erreurs de calage dans lesv relevés effectués. La présente invention a principalement pour objet un dispositif de détection d'ondes sismiques conçu pour être utilisé à la place des bouees radio utilisées habituellement en prospection sismique marine monotrace, ce dispositif mesurant les déplacements verticaux dus à la houle du détecteur lié à ce dispositif, afin de permettre une correction ultérieure des signaux reçus par ce détecteur, en fonction des déplacements mesurés. A cet effet, il est proposé conformément à l'invention un dispositif de détection d'ondes sismiques utilisable en prospection sismique marine monotrace, ce dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend : - une perche à houle, ou perche de Froudde, portant un capteur de pression à son extrémité inférieure ; - une ancre flottante portant un détecteur d'ondes sismiques et des moyens pour transmettre des signaux délivrés par ledit détecteur d'ondes sismiques et par le capteur de pression ; et - des moyens pour relier l'ancre flottante à la perche à houle, afin que la distance séparant l'ancre de la perche soit toujours inférieure à une distance limite, sans que le niveau de l'ancre flottante soit lié au niveau de la perche à houle. Rappelons que la caractéristique essentielle d'une perche à houle est de rester toujours au même ème niveau, tant que la houle ne dépasse pas un 10sème de la hauteur de la perche, ce qui peut toujours être réalisé en choisissant une perche de longueur suffisante. En plaçant un capteur de pression à l'extrémité inférieure de cette perche, il est donc possibLe de connaitre la hauteur de la houle à l'endroit où se trouve La perche. L'ancre flottante étant reliée à la perche à houle de façon à rester toujours à proximité immédiate de celleci, on connaît donc pratiquement à tout instant la profondeur de la houle à l'endroit où se trouve le détecteur. En transmettant cette information au bateau, il est possible d'en tenir compte -dans Le traitement des signaux reçus par le détecteur et, par conséquent, d'effectuer Les corrections appropriées dans les relevés effectués après traitement. Dans un mode de réalisation preféré de l'in vention particulièrement simple, les moyens pour relier l'ancre flottante à la perche à houle comprennent un câble dont une extrémité est fixée à l'ancre flottante et dont l'extrémité opposée est fixée à proximité de l'extrémité supérieure de la perche à houle. Enfin, afin de supprimer un autre inconvénient des bouées utilisées ordinairement qui est de ne pas pouvoir être réutilisées ou de nécessiter une manoeuvre du navire pour être récupérée à bord, l'ancre flottante est de préférence reliée à un bateau par un câble permettant La récupération de ce dispositif à la fin d'une mesure de profil, l'ancre flottante se comportant comme une planche de surf lorsqu'une traction est exercée sur le câble. L'invention a également pour objet une installation de prospection sismique marine monotrace comportant de façon connue : - une source d'ondes sismiques remorquée par un bateau ; - un détecteur d'ondes sismiques appelé "dé- tecteur de profil", également remorqué par le bateau ; et - un dispositif de détection d'ondes sismiques, largué du bateau de façon à occuper un point approximativement fixe ou immobile à la surface de l'eau, pendant la mesure d'un profil (environ 15 mn en moyenne). Conformément à l'invention, le dispositif de détection d'ondes sismiques est réalisé de la manière définie précédemment et un moyen de détection (par exemple un accéléromètre) d'au moins deux points singuliers (par exemple, le point haut et le point bas) par période de la sinusoide formée par la houle à la surface de l'eau est associé à la source et au détecteur de profil. Grâce à cette configuration simple, en admettant que le champ de houle est à peu près régulier dans la zone dans Laquelle on mesure le profil (rarement plus de 2000 m), on peut déduire de la connaissance précise du mouvement de la houle donnée par le dispositif de détection selon l'invention la profondeur à laquelle se trouvent à tout instant la source et le détecteur de profil. En effet, les accélérométres associés respectivement à la source et au détecteur de profil permettent de connaître les instants pour lesquels la sinusoide créée par la houle aux endroits où se trouvent ces deux appareils passe par un maximum et par un minimum.Le champ de houle étant supposé régulier, la connaissance de ces instants particuliers et la mesure précise de l'amplitude de la houle faite par le dispositif de détection permettent d'extrapoler à tout moment par le calcul la hauteur de la houle à la verticale de la source et à la verticale du détecteur de profil. Ainsi, les signaux reçus par les deux détecteurs peuvent etre corrigés lors du traitement, pour éviter les erreurs de calage inhérentes aux installations classiques. On décrira maintenant, à titre d'exemple non limitatif, un mode de réalisation préféré de l'inven- tion en se référant aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 représente de façon schématique une installation de prospection sismique marine monotrace réalisée conformément à l'invention ; et - les figures 2a et 2b sont des vues représentant à plus grande échelle et dans deux positions différentes le dispositif de détection d'ondes sismiques utilisé conformément à l'invention dans L'instal- lation de la figure 1. Sur la figure 1, la référence 10 désigne un bateau équipé pour la prospection sismique marine. De façon connue, ce bateau remorque par un câble 12 géné- ralement- court une source d'ondes sismiques 14, sous laquelle est habituellement placé un premier détecteur 15 d'ondes sismiques, dit 11de signature". Ce détecteur sert à connaitre l'allure du signal emis par la source 14, afin d'en tenir compte lors du traitement des signaux reçus des autres détecteurs. Lé bateau 10 remorque par un câble 17 un deuxième détecteur 16 d'ondes sismiques, dit "de profiL". Ce détecteur 16 est placé derrière La source 14, à une distance déterminée de façon à assurer une distance source 14- détecteur 16 minimale, tout en évitant les bruits dûs au sillage du navire. La source d'ondes sismiques 14 peut être constituée par l'une quelconque des sources utilisées habituellement dans la technique du sondage sismique continu. On rappellera ici que les sources les plus employées en sismique marine sont Les arcs électriques, Les canons à air, à eau ou à gaz et Les systèmes à implosion. Les détecteurs 15 et 16 sont généralement constitués par un ou plusieurs hydrophones. Conformément à l'invention, l'instaLlation de prospection de la figure 1 est complétée par une installation de détection d'ondes sismiques 18 placée en un point approximativement fixe ou immobile par rapport à un repère XYZ lié au globe terrestre. Par convention, les axes orthogonaux X et Y sont contenus dans un même plan horizontal et l'axe Z est vertical et orienté vers le bas, à l'endroit où se trouve l'installation 18. Lors d'une campagne de prospection sismique marine continue, l'installation de détection 18 est Largue du bateau 10 et ceLui-ci s'en éloigne en émet tant å intervalLes réguliers (par exempLe toutes Les demi-secondes) des ondes sismiques généralement appe lés tirs, à l'ai de de la source 14. De façon connue, ces ondes se propagent vers le fond A de la mer B et sur les différentes couches C du sous-sol. Elles sont alors réfléchies et réfractées pour revenir à la fois vers le détecteur 16 et vers L'installation de détection 18. Après chaque tir, les ondes réfléchies par le fond marin A et par les différentes couches C du soussol sont détectées par le détecteur 16, qui émet alors un signal électrique, donnant lieu à une trace unique. Les signaux successifs sont transmis par un conducteur électrique associé au câble 17 à des moyens d'enregistrement (non représentés) embarqués sur le bateau 10. Les enregistrements successifs ainsi réalisés sont mis bout à bout pour former une courbe représentative du profil vertical du sous-soL. De façon connue, cette courbe est graduée en durée de trajet des ondes sismiques, en fonction de la distance x, dans le sens de-deplacement du bateau. De façon comparable, les ondes réfLéchies sur le fond A et sur les couches C apres chaque tir sont détectées par un detecteur 26 (figures 2a et 2b) du dispositif de détection 18. Les traces correspondantes, qui sont transmises par radio au bateau 10, affectent à chaque miroir (fond A, couches C) une courbure due à l'obliquité du trajet des ondes sismiques résultant du caractère continuellement croissant de la distance source 12- detecteur 26. Cette courbure dépend essentiellement de cette distance et de la vitesse de propagation des ondes acoustiques dans le milieu considéré. La distance source-détecteur étant connue grâce à une mesure classique, on voit qu'on peut déduire par le calcul la vitesse de déplacement des ondes dans le milieu, à l'aide des signaux reçus par le détecteur 26 du dispositif 18. Si les mesures de profil effectuées de cette manière sont satisfaisantes dans des conditions assimilables au calme plat (hauteur de houle inférieure à 0,5 m), elles deviennent entachées d'erreurs et présentent donc un pouvoir séparateur d'autant plus limité que la hauteur de houle excède 0,5 m (les relevés de profils n'étant généralement pas effectués au-delà d'une hauteur de houle de 5 m). Conformément à un aspect essentiel de l'invention, le dispositif de détection d'ondes sismiques 18 dispose précisément de moyens pour mesurer à tout instant les variations de niveau du détecteur 26 selon la direction verticale Z du repére XYZ, dues essentiellement à la houle. A cet effet, et comme l'illustrent de façon plus précise les figures 2a et 2b, le dispositif de détection 18 comprend une ancre flottante 20, une perche à houle ou perche de Froudde 22 et une liaison souple telle qu'un câble 24 par lequel l'ancre flottante 20 est reliée à la perche 22. L'ancre flottante 20 se présente sous la forme d'une plaque triangulaire généralement isocèle, munie d'un lest 21 à proximité de l'un de ses bords, de façon à flotter en position sensiblement verticale à la surface de l'eau. Sa hauteur est, par exemple, d'environ 0,5 m et seule la pointe supérieure dépasse normalement de l'eau. Le détecteur 26 est suspendu au côté inférieur de l'ancre 20 par un petit câble 27. Ce détecteur 26 est constitué de préférence par un ou plusieurs hydrophones, ou par tout appareil de détection d'ondes sismiques équivalent. Le détecteur 26 transforme en signaux électriques les ondes sismiques qu'il reçoit après réflexion ou réfraction sur le fond marin A et sur les couches C du sous-sol. Ces signaux électriques sont transmis par un conducteur électrique à un emetteur radio 28, également supporté par l'ancre flottante 20. L'émetteur radio 28 est équipé d'une antenne 30 fixée sur la pointe supérieure de l'ancre 20, de façon à être située en permanence au-dessus de la surface de t'eau. En se référant à nouveau à la figure 1, on voit que les signaux radio émis par L'antenne 30 sont transmis par voie hertzienne à une antenne 32 montée sur le pont du navire 10. Cette antenne 32 est associée à un récepteur radio (non représenté). Ce récepteur radio transforme à son tour les signaux reçus en signaux électriques et les injecte dans une unit d'enregistrement, par exemple à bande magnétique, recevant également les signaux en provenance du détecteur de profil 16 et du détecteur de signature 15. Une unité de traitement, qui peut être embarquée ou non sur le bateau 10, a ensuite pour fonction d'effectuer sur Les signaux en provenance de l'hydrophone 16 un certain nombre de corrections nécessaires à l'exploitation des résultats. Il s'agit principalement des corrections habituelles en sismique marine.Conformément à l'invention, il s'agit aussi de corrections prenant en compte les erreurs sur les temps de parcours des ondes sismiques, dues à la houle. Bien entendu, différentes variantes sont possibles en ce qui concerne la partie de l'installa- tion de sondage embarquée sur le bateau 10. Ainsi, dans le cas où le traitement des signaux est un traitement informatique, les signaux doivent auparavant être mis sous forme numérique. Le traitement des signaux peut aussi être réalisé immédiatement, sans enregistrement préalable des signaux. Conformément à un aspect essentiel de L'in- vention, le dispositif de détection 18 permet de connaitre les fluctuations verticales AZ du détecteur 26 par rapport au repère fixe XYZ, grâce aux dispositions qui vont maintenant être décrites. Il est rappelé tout d'abord que les perches à houle ou perches de Froudde ont pour caractéristiques essentielles de flotter à la surface de l'eau dans une position verticale et de rester pratiquement immobiles verticalement, même lorsque le niveau de L'eau varie d'un instant à l'autre, notamment sous l'effet de la houle. Cette caractéristique est obtenue à la seuLe condition que les fluctuations verticales du niveau de l'eau, c'est-à-dire la hauteur de la houle, ne dépassent pas un 1sème de la hauteur totale de la perche. Afin que cette condition soit toujours réalisée, il suffit de choisir-une perche dont la longueur satisfait à cette exigence dans des conditions de travail moyennement défavorables, qui correspondent Le plus souvent à des creux d'environ 5 m. Grâce à l'utilisation d'une telle perche 22, et en plaçant à l'extrémité inférieure de celle-ci un détecteur de pression 34 à réponse rapide, il est possible de connaître à tout instant la hauteur de la houle. En effet, le signal de pression délivré par Le détecteur 34 est représentatif de la hauteur de la colonne d'eau surmontant ce détecteur et, par conséquent, de la hauteur de la houle à cet endroit. Les extrémités du câble 24 sont fixées respectivement sur l'ancre flottante 20 et à proximité de l'extrémité supérieure de la perche à houle 22. De plus, la longueur de ce câble 24 est juste suffisante pour permettre à l'ancre flottante 20 et à la perche 22 de se déplacer librement dans une direction verticale indépendamment l'un de l'autre dans les conditions de houle fortes. En revanche, cette longueur est telle qu'elle ne permet pas à l'ancre flottante de s'éloigner trop de la perche à houle dans une direction horizontale. On peut donc considerer que la mesure de la hauteur de houle obtenue au moyen du détecteur 34 est représentative à tout instant de la hauteur de houle à l'en- droit où se trouve l'ancre flottante 20 et, par conséquent, le détecteur 26. Les figures 2a et 2b illustrent respectivement le cas où le dispositif 18 se trouve en un point haut et en un point bas formés par la houle à la surface de l'eau. On voit sur ces figures que l'espacement horizontal entre ces points haut et bas est considérablement plus important que la distance maximum pouvant separer horizontalement l'ancre flottante 20 de la perche à houle 22 dans le dispositif 18 conforme à l'in- invention. Le dispositif 18 conforme à L'invention permet donc d'obtenir à L'aide du détecteur de pression 34 une information représentative à tout instant de la hauteur de houle à l'endroit où se trouve le détecteur 26. Ainsi, il est possible d'effectuer sur les signaux bruts délivrés par ce détecteur des corrections permettant d'obtenir après traitement des signaux très voisins des signaux idéaux qui seraient obtenus si L'on pouvait utiliser un détecteur parfaitement immobile dans le repère fixe XYZ. En pratique, le signal délivré par le détecteur 34 est acheminé jusqu'au moyen de traitement ou d'enregistrement qui se trouve à bord du bateau 10 par les mêmes moyens que les signaux délivrés par le détecteur 26. Ainsi, les signaux délivrés par le détecteur de pression 34 sont amenés jusqu'à l'émetteur radio 28 porté par L'ancre flottante 20 au moyen d'un conducteur électrique 36 remontant le long de la perche à houle 26, puis associé au câble 24. L'émetteur radio 28 émet donc des signaux hertziens qui doivent permettre, aprés réception sur le bateau, de distinguer sans difficulté les signaux sismiques en provenance du détecteur 26 des signaux de pression en provenance du détecteur 34. A cet effet, des moyens électroniques bien connus des spécialistes de cette technique sont associés à l'émetteur 28 ainsi qu'au récepteur radio embarqué sur le bateau 10. Il peut s'agir notamment, de façon nullement limitative, de moyens de multiplexage permettant de transmettre à tour de rôle chacun de ces signaux. Dans un perfectionnement particulièrement intéressant de l'invention, le dispositif 18 reste en permanence relié au bateau 10 par un câble 38 fixé à la pointe supérieure de l'ancre 20, comme l'illustre la figure 1. Lorsque la mesure de profil est terminée, l'application d'un effort de traction sur ce câble 38 à partir du bateau 10 a pour effet de coucher L'ancre flottante 20 à la surface de l'eau. L'ancre se comporte alors comme une planche de surf, ce qui facilite grandement la récupération du dispositif 18. Cette caractéristique présente un avantage financier important par rapport aux techniques actuelles dans lesquelles la bouée portant les détecteurs est perdue ou nécessite un retour du bateau vers la bouée. Pour compléter l'installation de prospection sismique représentée sur la figure 1, on adjoint de préférence à la source 14 et au détecteur de profil 16 des moyens appropriés permettant également de connaître à tout instant leur niveau selon Z, compte tenu de la houle. A cet effet, on prend pour hypothèse que le champ de houle est régulier dans la zone de mesure, c'est-à-dire entre l'emplacement du dispositif de détection 18 et le point le plus éloigné (généralement 2000 m au plus) où se trouve le bateau en fin de mesure. En pratique, cette hypothèse est généralement vérifiée. Etant donné que les caractéristiques de la hauteur de houle sont mesurées avec précision par l'installation 18, il suffira donc de connaître les instants où la source 14 d'une part, le détecteur 16 d'autre part, passent par au moins deux points singuliers dus à la houle (point haut, point bas, accélération maximale vers le haut ou vers le bas), pour connaître après traitement l'erreur de niveau AZ qui doit être affectée à chaque instant à ces deux appareils, par rapport à leur niveau moyen.Pour déterminer le passage de ces appareils par de tels points singuliers, on associe par exemple à chacun d'entre eux un accéléromètre sensible aux accélérations selon Z. Un capteur de vitesse selon Z pourrait également être utilisé. Bien entendu, l'invention n'est pas limite au mode de réalisation qui vient d'être décrit à titre d'exemple, mais en couvre toutes les variantes. Ainsi, on observera notamment que le câble 24 qui permet dans le mode de réalisation décrit d'éviter que L'ancre flottante ne s'éloigne trop de la perche à houle 22, tout en autorisant un déplacement vertical libre de L'ancre flottante par rapport à la perche peut être remplacé par tout moyen équivalent. En particulier, l'ancre flottante 20 peut comporter un trou dans sa partie centrale, la perche 22 étant reçue dans ce trou, de façon à permettre à l'ancre 20 de se déplacer librement vers le haut ou vers le bas le long de la perche ou de s'orienter par rapport à celle-ci, sans qu'elle puisse s'éloigner de la perche. REVENDICATIONS 1. Dispositif de détection d'ondes sismiques (18) utilisable en prospection sismique marine monotrace, ce dispositif etant caractérisé en ce qu'il comprend : - une perche à houle, ou perche de Froudde (22), portant un capteur de pression (34) à son extrémité inférieure ; - une ancre flottante (20) portant un détecteur d'ondes sismiques (26) et des moyens (28, 30) pour transmettre des signaux délivrés par ledit détecteur d'ondes sismiques et par le capteur de pression ; et - des moyens (24) pour relier L'ancre flottante (20) à la perche à houle (22), afin que La distance séparant L'ancre de la perche soit toujours inférieure à une distance limite, sans que le niveau de l'ancre flottante (20) soit lié au niveau de La perche à houle (22). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens pour relier L'ancre flottante (20) à La perche à houle (22) comprennent un câble (24) dont une extrémité est fixée à L'ancre fLottante (20) et dont l'extrémité opposée est fixée à proximité de I'ext rémi t é supérieure de La perche à houle (22). 3. Dispositif selon L'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que L'ancre flottante est reliée à un bateau (10) par un deuxième câble (38) permettant La récupération du dispositif (18) à la fin d'une mesure de profil, l'ancre fLottante se comportant comme une planche de surf Lorsqu'une traction est exercée sur le deuxième câble (38). 4 Installation de prospection sismique marine monotrace comprenant : - une source d'ondes sismiques (14) apte à être remorquée par un bateau (10) ; - un détecteur d'ondes sismiques appelé "détecteur de profil" (16) apte à être remorqué par le bateau (10) ; et - un dispositif de détection d'ondes sismiques (18) apte à être largué du bateau ; caractérisé en ce que le dispositif de détection (18) est réalisé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, un moyen de détection d'au moins deux points singuliers par période de La sinusoide formée par la houle à la surface de l'eau étant associé à la source (14) et au détecteur de profil (16). 5. Installation selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit moyen de détection est un accéléromètre détectant un point haut et un point bas par période de ladite sinusoide.