Brevet FR2593926A1 — publié le 19870807

SOURCE SISMIQUE VIBRANTE POUR GENERER UNE COMBINAISON D'ONDES DE COMPRESSION ET DE CISAILLEMENT 1. Domaine de l'invention - Cette invention concerne d'une façon générale le domaine de l'exploration sismique et plus particulièrement un appareil perfectionné permettant d'appliquer de l'énergie vibratoire au sol dans lequel des combinaisons sélectionnées d'ondes de compression et de cisaillement peuvent être générées simultanément. 2. Description de l'art antérieur Les récents progrès de la capacité des équipements d'acquisition et de traitement des données sismiques à traiter de grosses quantités de données ont suscité le plus large intérêt dans le développement de sources sis- miques souples à haute énergie adaptées à la production simultanée d'ondes de compression et d'ondes de cisaille- ment. Un objectif du développement des sources sismiques à "composantes multiples" consiste à permettre à l'opé- rateur de mesurer de manière plus efficace les propriétés des formations souterraines telles que la porositér l'orien- tation des fractures, le type de fluide dans les pores ou le type lithologique. On sait que les ondes P, SH et SV se déplacent avec leur propre vitesse particulière lorsqu'elles traversent une formation géologique donnée. Donc, des modifications des propriétés de la formation, telles que le type de roche, la porosité et analogues, peuvent être détectées par des variations dans le champ de l'onde entière (par exemple les vitesses des ondes P, SV et SH). La forte corrélation observée entre les variations latérales ainsi que le rapport entre les vitesses des ondes de compression et des ondes de cisaillement (Vp/Vs) et des changements connus dans une formation géolo- gique incite à penser que ces variations peuvent être utilisées pour en déduire des variations de la lithologie, de la porosité ou de la teneur en fluide des pores dans une formation souterraine. En enregistrant la forme d'onde entière d'une onde sismique, y compris des ondes P, SV et SH, on peut obtenir des informations beaucoup plus détaillées concernant les propriétés des roches en profon- deur, que ne le permettraient les autres procédés. Dans la demande de brevet français n 8615040 du 29 octobre 1986, il est décrit un appareil permettant de coupler l'énergie vibratoire au sol en un point donné d'une source sismique. Comme cela a été décrit dans cette demande de brevet, un vibreur hydraulique est monté sur un socle plat en contact avec le sol, au moyen d'une monture qui permet de faire tourner l'axe du vibreur autour de deux axes perpendiculaires entre eux. La rotation autour de ces deux axes permet à l'opérateur de placer l'axe du vibreur dans une direction désirée quelconque par rapport à une ligne de levée sismique. L'excitation du vibreur tranfère alors l'énergie par l'intermédiaire de la monture de fixation au socle plat et par conséquent au sol dans la direction prédéterminée. Des géophones à trois éléments perpendiculaires installés à une certaine distance de la source sismique ponctuelle le long de la ligne de levée sismique peuvent recevoir et enregistrer simultanément les ondes P, SH et SV résultantes en permettant ainsi l'analyse du champ de l'onde complète des réflexions souter- raines. RESUME DE L'INVENTION La présente invention envisage un nouveau perfection- nement au moyen du couplage de l'énergie d'une seule masse vibrante au sol. Le mode de réalisation préféré de cette invention comprend un vibreur supporté au-dessus et indépen- damment du socle plat (ou embase plate) en contact avec le sol. Des moyens sont prévus pour faire varier l'incli- naison et l'azimut de l'axe vibratoire le long duquel des vibrations alternatives sont générées afin de le faire coincider avec n'importe quelle direction prédéterminée. D'autres moyens sont prévus pour abaisser le vibreur de façon qu'il vienne en contact avec et maintienne une pres- sion descendante sur le socle plat dans une telle direction prédéterminée. Le fonctionnement du vibreur dans cette position de contact permet l'injection simultanée d'ondes de compression et de cisaillement, à la fois de type SH et SV dans le sol en proportion souhaitée. Sous un aspect plus limité, l'invention comprend un vibreur à orientation variable monté sur une platine tournante qui peut être plac.e sur le plateau d'un véhicule de transport. Des vérins hydrauliques montés sur la platine tournante peuvent tre reliés de façon réglable au vibreur afin d'en faire varier l'inclinaison par rapport à une direction verticale. L'azimut du vibreur peut être modifié en faisant tourner la platine tournante par exemple par des moyens à moteur. Grâce encore à des moyens hydrauliques montés de manière réglable entre le vibreur et la platine tournante, il est possible d'abaisser le vibreur jusqu'à ce qu'il vienne en contact avec une surface supérieure de l'embase, cette surface ayant un contour tel qu'il soit toujours perpendicu- laire au passage de l'axe de vibration du vibreur au point de contact entre ce vibreur et cette surface. Une pression descendante suffisante est appliquée sur le vibreur pour que ce contact soit solidement maintenu quand le vibreur est actionné. L'énergie sismique est ainsi communiquée au sol le long du trajet de cet axe vibratoire et, par conséquent, dans la direction prédéterminée. C'est donc un but général de la présente invention de proposer un appareil pour la génération simultanée d'ondes de compression et de cisaillement au moyen de l'énergie vibratoire d'une seule masse vibrante. C'est un but plus particulier de la présente inven- tion de proposer un tel appareil qui soit facilement adap- table au transport sur véhicule. C'est encore un autre but de la présente invention de proposer un tel appareil dans lequel le transfert de l'énergie vibratoire de l'embase plate au contact du sol est effectué de manière à faciliter la substitution d'embases de différentes configurations et de différentes formes. D'autres buts et avantages de la présente invention apparaîtront d'après la considération de la description détaillée suivante ainsi que des dessins annexes. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS La figure 1 est une vue latérale en élévation selon le mode de réalisation préféré de cette invention, illus- trant une source sismique vibratoire placée au-dessus d'un socle plat de contact avec le sol ayant un contour adapté; la figure 2 est une vue en élévation détaillée de l'appareil de la figure 1, vu de l'avant du véhicule de transport; la figure 3 est une vue de dessus en plan détaillée de l'appareil de la figure 1 représentant la platine tour- nante sur laquelle le vibreur de la figure 1 est installé; la figure 4 est une vue verticale en élévation détaillée du vibreur de la figure 1 dont le boîtier exté- rieur cylindrique est présenté en coupe; la figure 5 est une vue en coupe le long de la ligne 5-5 de la figure 4; la figure 6 est une vue de dessus en plan le long de la ligne 6-6 de la figure 1; la figure 7 est une représentation schématique tri- dimensionnelle d'une onde sismique vibratoire à injecter dans le sol au moyen de l'appareil de l'invention le long d'une trajectoire d'inclinaison et d'azimut prédéterminés par rapport à une ligne sismique conduisant à un géophone distant à trois éléments. DESCRIPTION DETAILLEE DU MODE DE REALISATION PREFERE On va maintenant se référer d'une façon générale à la figure 1, sur laquelle on peut voir illustrée une partie du plateau 10 d'un véhicule de transport (non repré- senté) sur lequel est monté un vibreur sismique classique 12 de manière à être supporté au-dessus et indépendamment du socle plat 14 de contact avec le sol. Le vibreur 12 comprend d'une façon générale une masse à réaction 15 montée de manière à subir un mouvement alternatif sur un piston d'extrémité (non représenté) à double tige ayant une extrémité de tige supérieure 17 et une extrémité de tige inférieure 18. Quand la masse 15 monte et descend en réponse à l'application d'une pression hydraulique à l'intérieur du vibreur 12, les forces de réaction exercées sur le piston entraînent un mouvement correspondant des extrémités de tige 17 et 18. Des vibreurs tels que le vibreur 12 sont complètement décrits et présentés dans le brevet US N 3.159.233 délivré à Clynch et coll. le ler décembre 1964 et dans les brevets correspondants. L'appareil qui va être décrit ici prévoit des moyens pour orienter de manière variable l'axe de vibration du vibreur 12 et pour l'abaisser ensuite par rapport à son support de montage de manière qu'il repose en descendant sur l'embase plate 14. La mise en marche du vibreur 12 pendant que ce contact est solidement maintenu transfère l'énergie vibratoire au sol par l'intermédiaire de l'embase plate 14. Le vibreur 12 est fixé de manière à subir un mouvement axial limité à l'intérieur de et par rapport à un boïtier cylindrique extérieur 16 grâce auquel le vibreur 12 est relié au plateau 12. Le boîtier 16 est équipé de deux bras pivotants extérieurs 21, dont les extrémités supé- rieures sont soudées ou fixées d'une autre manière à la surface extérieure du boîtier 16. Les extrémités inférieures des bras pivotants 21 sont agencées pour tourner à l'inté- rieur de cosses 19 fixées sur le dessus de la platine tournante 20, laquelle à son tour repose sur le plateau 10. Deux vérins hydrauliques 24 fonctionnant en coopé- ration avec des bras pivotants 21 sont placés de chaque côté du vibreur 12, comme on le voit mieux en se référant encore à la figure 2. Les extrémités supérieures des tiges de piston 26 des vérins 24 se terminent par des équerres de pivot 27 respectivement fixées aux bras pivotants 21. Les extrémités inférieures des vérins 24 sont fixées en pivotement à des cosses 30, qui sont elles-mêmes fixées à la platine tournante 20. Il est évident que le fonction- nement des vérins 24 en liaison avec la rotation des bras pivotants 21 autour d'un axe horizontal 25 permet de faire varier l'inclinaison de l'axe vibratoire du vibreur 12 par rapport à une direction verticale. En se référant encore à la figure 3, on voit que le fonctionnement du moteur hydraulique 33 fait tourner le pignon d'entraînement 34 lequel, par l'intermédiaire d'une chaîne 31, constitue des moyens de rotation pour la platine tournante 20. Ceci permet de faire tourner l'axe vibratoire du vibreur 12 jusqu'à n'importe quel azimut souhaité. La platine tournante 20 présente une ouverture centrale 38 que traverse le vibreur 12, ce qui lui permet d'établir un contact entre l'extrémité de la tige inférieure 18 et l'embase plate 14 d'une manière qui sera décrite ci-dessous. La platine tournante 20 est fixée au plateau du camion 10 par tout moyen approprié, afin de permettre la rotation en son centre, mais également de manière à éviter la sépara- tion dans la direction verticale par rapport au plateau 10 du camion. Ceci est important parce qu'au cours du fonc- tionnement, des forces ascendantes s'exercent sur le boîtier extérieur 16 du vibrateur 12 et par conséquent sur la platine tournante 20 elle-même. Afin d'éviter de communiquer des vibrations à tout le véhicule, la platine tournante doit également être écartée du plateau 10 par un amortis- seur en caoutchouc (non représenté) ou par tout autre moyen amortisseur des chocs connus dans l'art antérieur. Pour écarter au moins partiellement le poids du véhi- cule de transport de sa suspension élastique afin qu'il repose sur le socle plat 14, quatre éléments de support réglables isolateurs des chocs 39 peuvent être installés entre l'embase plate 14 et le plateau du camion 10. Ceci permet de stabiliser l'embase 14 afin qu'elle ne glisse pas dans une direction latérale lorsqu'elle est soumise à des forces vibratoires qui ne sont pas verticales. Comme on le voit mieux sur les figures 4 et 5, plu- sieurs vérins hydrauliques 42 (dont quatre sont représentés à titre d'illustration) sont montés dans l'espace annulaire situé entre le vibreur 12 eL lie boîtier extérieur 16 de façon que les extrémités de leur tige de piston 44 soient orientées vers le haut et soient fixées au- dessous de la bride transversale circulaire 45 espacée au-dessus de la partie supérieure du boîtier extérieur 16. En faisant fonctionner les vérins hydrauliques 42, on peut rétracter les extrémités 44 des tiges de piston, en poussant ainsi le vibreur 12 de manière coulissante vers le bas à l'inté- rieur de l'alésage 46 jusqu'à ce que le dessus arrondi 47 fixé au bas de l'extrémité de la tige inférieure 18 vienne en contact avec la surface supérieure hémisphérique concave 48 de l'embase plate 14. Ceci prépare l'appareil à la mise en service du vibreur le long de tout axe préselec- tionné. Si l'on désire une nouvelle trajectoire du vibreur ou si l'on souhaite un emplacement différent de l'opération sismique souhaitée, on manoeuvre les vérins 42 afin de faire sortir les tiges de piston 44 vers le haut et de rentrer le vibreur 12. La longueur de la course des tiges de piston 44 néces- saire pour obtenir un contact entre le dessus 47 et la surface de l'embase plate 48 est telle qu'il reste un espace entre la bride 45 et le dessus du boîtier cylin- drique 16. Ainsi, lorsque le contact avec la surface 48 a été établi, une force supplémentaire peut facilement être exercée par l'intermédiaire des vérins 42 afin d'appli- quer une pression descendante contre la surface 48. La réaction orientée vers le haut à une telle pression trans- mise à la platine tournante 20 par l'intermédiaire du boîtier extérieur 16 est contrecarrée par le poids du véhicule de transport. De cette façon, une force suffisante peut être facilement appliquée pour maintenir un contact ferme entre le dessus 47 et la surface 48 pendant le fonc- tionnement du vibreur 12. Ceci évite tout "rebondissement" indésirable du vibreur 12 ou tout impact pulsé contre la surface 48. De cette façon, l'embase plate 14 peut fidèlement reproduire le mouvement vibratoire alternatif du vibreur 12 quand il est mis en service dans sa position fonctionnelle inférieure. En se référant en particulier à la figure 6, on voit que la surface supérieure de contact 48 de l'embase plate 14 présente une surélévation tronconique 52. La surface 48 est construite sous forme d'une portion de sphère dont le centre est situé sur l'axe horizontal d'orientation 25 des bras pivotants 18. Ceci garantit que la trajectoire suivie par l'axe vibratoire du vibreur 10 est toujours perpendiculaire à la surface 48 au point de contact. Ainsi, la direction résultante de l'injection d'énergie dans le sol sera sensiblement la même que la trajectoire le long de laquelle l'axe vibratoire du vibreur 12 est orienté. Pour toute inclinaison prédéterminée du vibreur 10, la rotation de la platine tournante 20 va maintenir un contact entre le dessus 47 et la surface 48 en un certain point d'une trajectoire circulaire. Si, par exemple, le vibreur 12 est incliné le long de l'axe du vibreur 50, la rotation de la platine tournante va créer un contact entre le dessus 47 et la surface 48 en un certain point d'une trajectoire circulaire telle que le cercle 58. Si l'on décale l'incli- naison du vibreur 12 juqu'à une trajectoire 51 plus proche de la verticale (fig. 1), la rotation de la platine tour- nante 20 va établir le contact en un point situé sur une trajectoire circulaire différente comme par exemple le cercle 58. Mais la relation d'orthogonalité entre la trajec- toire de l'axe vibratoire du vibreur 10 et la surface 48 restera toujours la même. Au cours du fonctionnement de l'appareil de cette invention, il est possible de commander la fréquence et la vitesse de balayage du vibreur 12 d'une manière bien connue des spécialistes de cette technique en utilisant une alimentation hydraulique 60 et une vanne de commande 62. Des vannes asservies 64 peuvent être actionnées par des signaux provenant de la commande de balayage 66 afin d'obtenir un mouvement alternatif de la masse de réaction à l'intérieur du vibreur 12 et de créer un mouvement vibratoire correspondant du socle plat 14 -pour assurer le couplage avec le sol. Le mode d'tutilisation de cette invention sera mieux compris en se référant à la figure 7 qui illustre schéma- tiquement l'inclinaison et l'azimut de trajectoire typique de l'axe vibratoire du vibreur 12. Par exemple, les tra- jectoires 50 et 51 déjà décrites peuvent donner lieu à des angles d'inclinaison respectifs al et a2 par rapport à une direction verticale 60. La rotation de l'axe vibra- toire peut être telle qu'elle crée un angle d'azimut f par rapport à une ligne sismique 62. De cette manière, un séismomètre à trois éléments 64, installé à distance du point 66 de la source sismique le long de la ligne sismique 62, peut enregistrer simultanément n'importe quelle combinaison souhaitée d'ondes P, SH et SV. La susdite description concerne un vibreur sismique de construction nouvelle utilisant une unique masse vibrante dont l'inclinaison et l'azimut peuvent être modifiés faci- lement sans déplacer le véhicule de transport et sans utiliser l'équipement de montage de l'embase plate. Il faut naturellement insister sur le fait que toute plate- - forme ou bâti rigide convenable peut être employée pour supporter le vibreur 12 et son équipement associé, qu'il fasse ou non partie d'un véhicule routier ou non. En tout cas, l'utilisation du vibreur de cette invention assure le transfert de l'énergie, directement à l'embase plate, sans intervention d'aucune liaison introduisant une atté- nuation. Il faut encore comprendre que la forme particu- lière de vibreur et d'embase plate décrite dans ce descrip- tif, ainsi que les moyens de réglage de l'axe vibratoire du vibreur 12, sont uniquement indiqués à titre d'illus- tration et ne doivent en aucun cas être considérés comme des limitations à la portée de l'appareil de cette inven- tion. REVENDICATIONS 1. Appareil pour communiquer au sol des signaux vibra- toires sismiques d'ondes de compression et de cisaillement comprenant: (a) une embase plate de contact avec le sol pour coupler l'énergie vibratoire au sol; (b) un moyen à vibreur pour créer des vibrations alternatives le long d'un axe vibratoire orienté dans une direction prédéterminée, ledit moyen à vibreur étant supporté au-dessus et indépendamment de ladite embase plate, de façon que ledit moyen à vibreur et ladite embase soient en contact; (c) des moyens de commande pour mettre en service ledit moyen à vibreur dans ladite position de contact avec ladite embase plate, de sorte que des vibrations dans ladite direction perpendiculaire soient transférées à ladite embase plate pour être injectées dans le sol. 2. Appareil pour appliquer des signaux vibratoires sismiques d'ondes de compression et d'ondes de cisaillement 0 au sol comprenant: (a) une embase plate de contact avec le sol pour coupler l'énergie vibratoire au sol; (b) un moyen à vibreur pour produire des vibrations alternatives le long d'un axe vibratoire, ledit moyen à vibreur étant supporté au-dessus et indépendamment de ladite embase plate en une relation écartée par rapport à cette dernière; (c) des moyens pour faire varier l'inclinaison et l'azimut dudit axe vibratoire afin qu'il vienne en coïnci- dence avec une direction prédéterminée; (d) des moyens pour amener ensuite ledit moyen à vibreur dans une position de contact avec ladite embase plate; et (e) des moyens de commande pour la mise en service dudit moyen à vibreur dans ladite position de contact de façon que des vibrations dans ladite direction prédéter- minée soient transférées à ladite embase plate pour être injectées dans le sol. 3. Appareil selon la revendication 2, caractérisé par des moyens pour appliquer le long dudit axe vibratoire une force de poussée constante propre à pousser ledit moyen à vibreur contre ladite embase plate. 4. Appareil selon la revendication 2 ou la revendi- cation 3, caractérisé en ce que ledit moyen à vibreur possède une extrémité supérieure et une extrémité infé- rieure entre lesquelles s'étend ledit axe vibratoire et dans lequel ladite extrémité inférieure est adaptée à établir un contact avec ladite embase plate. 5. Appareil selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite embase plate est équipée d'une surface tournée vers le haut avec laquelle ladite extrémité inférieure dudit vibreur est adaptée à venir en contact, ladite surface ayant un contour tel que la trajectoire dudit axe vibratoire reste sensiblement perpendiculaire à ladite surface au point d'intersection de ladite trajectoire et de ladite surface. 6. Appareil pour communiquer des signaux vibratoires sismiques d'ondes de compression et de cisaillement au sol comprenant: (a) une embase plate en contact avec le sol pour appliquer l'énergie vibratoire au sol; (b) un moyen à vibreur pour créer des vibrations alternatives le long d'un axe vibratoire; (c) un boîtier extérieur cylindrique creux présentant un alésage longitudinal, ayant au moins une extrémité ouverte tournée vers ladite embase plate, ledit moyen à vibreur étant supporté de manière coulissante à l'inté- rieur dudit alésage afin que ledit axe vibratoire coincide avec l'axe dudit alésage; (d) une plate-forme tournante placée au-dessus de ladite embase plate en relation verticale fixe avec elle, ledit boîtier extérieur étant monté sur ladite plate-forme de façon à ménager un écart entre ledit moyen à vibreur et ladite embase plate; (e) des moyens fixés de manière réglable entre ladite plate-forme et ledit boîtier extérieur afin de permettre de faire pivoter ledit boîtier extérieur autour d'un axe horizontal; (f) des moyens pour faire tourner ladite plate-forme de façon à faire varier le cap de l'axe dudit alésage en azimuth; (g) des moyens fixés de manière réglable entre ledit boîtier extérieur et ledit moyen à vibreur pour pousser ledit moyen à vibreur le long dudit alésage dans la direc- tion de ladite extrémité ouverte afin qu'il vienne en contact avec ladite embase plate; et (h) des moyens de commande pour mettre en service ledit moyen à vibreur dans ladite position de contact afin que des vibrations le long dudit axe vibratoire soient transférées à ladite embase plate pour être injectées dans le sol. 7. Appareil selon la revendication 6, caractérisé en ce que lesdits moyens de poussée dudit moyen à vibreur le long dudit alésage comprennent des moyens à vérins fixés audit boîtier extérieur et comprenant des moyens à tige de piston étendus en engagement avec ledit moyen à vibreur de manière que ce mouvement dudit moyen à tige de piston fasse varier la position axiale dudit moyen à vibreur par rapport audit alésage. 8. Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit moyen à vérins hydrauliques comprend plu- sieurs vérins hydrauliques parallèles écartés l'un de l'autre dont les tiges de piston respectives s'étendent dans une direction coaxiale avec ledit alésage, ledit moyen à vibreur ayant une bride circulaire transversale adaptée à recevoir en engagement les extrémités desdites tiges de piston.