Brevet FR2595475A1 — publié le 19870911

CONTEXTE DE L'INVENTION 1. Domaine de l'invention Cette invention concerne d'une façon générale le domaine de la prospection sismique et plus particulièrement un procédé et un appareil pour l'injection d'une impulsion acoustique dans le sol au moyen d'une masse d'impact subis- sant un cycle répétitif. 2. Description de l'art antérieur Le brevet US n 4 284 165, délivré le 18 août 1981 à Tom P. Airhart et coll. et intitulé: "Générateur d'impul- sions acoustiques", décrit un appareil à impacts qui est destiné à générer une impulsion acoustique dans un milieu et dans lequel une masse pesante est entraînée vers le bas à partir d'une position haute avec une grande force exercée par un gaz comprimé pour frapper un socle plat en contact avec le sol, lequel socle transmet au sol l'éner- gie cinétique atteinte par cette masse. Les réflexions de l'onde sismique résultante par les couches sous-jacentes sont enregistrées à distance, d'une manière bien connue dans l'art antérieur. L'appareil possède un moyen pour relever la masse après chaque coup. Un tel moyen comprend des vérins hydrauliques dont les tiges de piston, prévues à une seule extrémité et orientées vers le bas, traversent librement par des ouvertures une partie de la masse formant bride. En préparation au fonctionnement de l'appareil avec la masse placée en position haute audessus du socle plat, les tiges de piston sont suffisamment abaissées pour que les taquets de levage fixés à leurs extrémités inférieures se situent au-dessous de la bride de la masse lorsque la masse a été déplacée jusqu'à sa position la plus basse contre le socle plat. Les vérins hydrauliques sont ensuite actionnés dans le but de rétracter les tiges de piston, en forçant les taquets de levage à venir en contact avec la bride de la masse et à ramener rapidement la masse à sa position initiale dans laquelle elle est maintenue par des moyens de verrouillage en préparation du coup suivant. L'observation des relevés de bruit effectués lorsqu'un tel appareil a été déclenché confirme qu'au moment o les taquets de levage frappent la bride de la masse et soulèvent la masse en l'écartant du socle plat, un choc considérable se produit, lequel est transmis au sol en créant ainsi une onde secondaire indésirable dans la gamme des fréquences sismiques. Si la masse est soulevée pendant l'intervalle de temps au cours duquel l'onde sismique réfléchie est en cours d'enregistrement, la contamination d'un tel enregistrement par le bruit dû à une telle onde secondaire s'ajoute au bruit inévitablement présent par suite des effets de surface et autres parasites ambiants. L'analyse des enregistrements sismiques montre que l'ampli- tude de cette onde secondaire est typiquement de l'ordre de 18 dB audessous de celle de l'onde sismique primaire utile. Même dans l'état actuel des techniques de traitement des données sismiques, il semble qu'un signal de cette amplitude ne puisse pas être totalement éliminé de l'enre- gistrement résultant. Une solution au susdit problème consiste à programmer dans l'opération une "pause d'écoute" au cours de laquelle la masse reste en contact avec le socle plat. Les appareils d'enregistrement sont alors mis à l'arrêt et la masse est alors relevée en vue d'un autre coup. Cependant, cette interruption du cycle mécanique montant et descendant de la masse peut facilement augmenter dans un rapport le temps effectif de 1 à 2/entre les coups. Lorsque le temps est essentiel dans une opération sismique d'exploration du sol, un tel retard ajoute considérablement aux frais totaux d'exploita- tion et par ailleurs réduit l'efficacité. RESUME DE L'INVENTION La présente invention envisage une source sismique du type à impacts qui emploie des moyens pour suspendre une masse pesante en position haute audessus d'un socle plat en contact avec le sol, des moyens pour propulser la masse de haut en bas afin qu'elle frappe le socle plat, lequel applique l'énergie résultante au sol, des moyens pour venir en contact avec la masse et la soulever du socle plat jusqu'à sa position haute initiale et des moyens pour amortir le choc acoustique transmis au sol par l'appli- cation d'une telle force de levage à la masse. Selon un aspect plus limité, l'invention comprend un appareil du type décrit dans lequel des moyens à vérins hydrauliques fixés aux moyens de suspension de la masse sont reliés à la masse par un montage coulissant afin de permettre à la masse de se déplacer librement jusqu'à sa position la plus basse, de tels moyens à vérins hydrauliques étant ensuite utilisables pour coopérer avec une telle masse et lui appliquer une force de relevage. Des moyens à accumu- lateur hydraulique sont montés dans le système à fluide de tels moyens à vérins hydrauliques afin d'augmenter progressivement la pression de leur fluide en réponse à l'application d'une telle force de relevage. Sous un autre aspect encore de cette invention, les moyens à vérins hydrauliques coopèrent avec la masse au moyen de tiges de relevage qui transmettent une force de levage à la masse par l'intermédiaire de ressorts pouvant subir une déformation élastique. Un but général de cette invention est donc de proposer un appareil perfectionné pour relever la masse, qui a été entraînée vers le bas, d'une source sismique du type à impacts actionnée de façon répétitive. Un but plus particulier de cette invention est de proposer un tel appareil dans lequel le relevage de la masse est effectué sans produire de bruit secondaire inac- ceptable. D'autres buts et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée qui va suivre, faite en se référant aux dessins annexés. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS La figure 1 est une vue simplifiée en élévation de l'appareil selon l'invention avec coupe partielle, repré- sentant une masse d'impact suspendue au-dessus d'un socle plat en contact avec le sol, avant le déclenchement; la figure 2 est une autre vue en élévation de l'appa- reil de la figure 1 avec coupe partielle, sur laquelle la masse est en transit vers le socle plat et les tiges du piston des vérins de levage hydrauliques sont dans une position extrême vers le bas; la figure 3 est une autre vue en élévation de l'appa- reil de la figure 1, tourné de 90 pour illustrer de quelle manière des vérins hydrauliques de levage doubles coopèrent avec les faces opposées de la masse; la figure 4 est une vue détaillée en élévation repré- sentant la masse de l'appareil de cette invention dans sa position d'impact contre le socle plat; la figure 5 est une autre vue détaillée en élévation représentant la position de la masse de l'appareil de cette invention lorsqu'elle est soulevée vers sa position initiale; la figure 6 est une illustration schématique du circuit du fluide des vérins hydrauliques de levage de l'appareil de cette invention; la figure 7 est une coupe verticale détaillée représen- tant la construction des extrémités inférieures des tiges des vérins hydrauliques de levage selon un autre mode de réalisation de cette invention; la figure 8 est une coupe verticale détaillée repré- sentant la construction des extrémités inférieures des tiges de levage hydrauliques selon encore un autre mode de réalisation de cette invention. DESCRIPTION DETAILLEE DES MODES DE REALISATION PREFERES En se référant maintenant à la figure 1, on peut voir représentée une source sismique comprenant un action- neur 10 supporté au-dessus d'un socle plat 12 de toute façon convenable sur un châssis 141 orienté horizontalement, d'un véhicule de transport (non représenté). L'actionneur est un dispositif sismique du type à impacts qui utilise de l'air sous haute pression pour accélérer une masse vers une cible comme cela est décrit d'une façon générale dans le susdit brevet US n - 4.284.165. L'actionneur 10 comprend d'une façon générale un boîtier cylindrique creux 16 disposé verticalement et ayant un alésage 18 revêtu d'une chemise en plomb 19 qui reçoit l'extrémité supérieure d'un piston d'impact 22. A son extrémité inférieure, le diamètre du piston 22 est agrandi pour former une masse d'impact 24. Le fonctionnement de l'actionneur 10 propulse la masse 24 rapidement de haut en bas sous l'effet d'une pression d'air prélevée sur une batterie de réservoirs sous pression 28, afin de frapper le socle plat 12, lequel transmet au sol l'énergie cinétique atteinte par la masse 24 sous la forme d'une onde sismique de fréquence acous- tique. La figure 1 représente le piston 22 verrouillé dans sa position supérieure la plus élevée ou position "haute" dans laquelle sa surface supérieure 30 est très proche de l'extrémité supérieure fermée 32 du boîtier 16. Tout air emprisonné entre l'extrémité 32 et la surface 30 peut être évacué à l'atmosphère par un passage 33, par action d'une vanne 34. Dans cette position, les parois latérales du piston 22 obturent des orifices 36 assurant la communica- tion entre l'intérieur de l'alésage 18 et les réservoirs sous pression 28. Un joint d'étanchéité 37, monté à l'inté- rieur de la chemise 19 en haut de l'alésage 18, empêche l'air sous haute pression de fuir vers le dessus du piston 22. Les extrémités respectives des tiges de piston 38 de deux vérins de déclenchement 40 placés sur les côtés opposés du bo tier 16 sont reliées à deux dispositifs de verrouillage articulés 41 qui dépassent au-dessous et supportent une bride 46 solidaire de la masse 24, dans la position haute du piston 22. Les vérins 40 et les dispo- sitifs de verrouillage 41 sont fixés au boîtier 16 respecti- vement par des équerres de montage 42 et 43. Lorsqu'un signal actionne les vérins de déclenchement 40, leurs tiges de piston 38 se déploient et font ainsi basculer les dispositifs de verrouillage articulés 41 en les écartant du dessous de la bride 46, comme on le voit bien sur la figure 2. Quand la masse 24 tombe sous l'effet de la pesan- teur, de l'air sous une pression élevée, typiquement de l'ordre de 2.070 kPa, pénètre dans l'alésage 18, en suivant le trajet 47 passant par les orifices 36, et agit sur la surface supérieure 30 du piston 22. Ceci crée une très grande force descendante sur toute la section de la surface supérieure 30 qui s'ajoute à la pesanteur de manière à entraîner le piston 22 et donc à propulser la masse 24 vers le socle de base 12 avec une force élevée. Un joint d'étanchéité 48, logé à l'intérieur de la chemise 19 à proximité de l'extrémité inférieure de l'alésage 18, empêche l'air de s'échapper de l'alésage 18 vers le bas et garantit ainsi' que l'actionneur 10 fonctionne comme un système à air en circuit fermé. Autrement dit, l'air est soumis à un cycle continu en va-et-vient entre les réservoirs sous pression 28 et l'alésage 18, lors des déclenchements répétés. Comme on le voit bien sur la figure 3, les tiges de piston 50 de vérins hydrauliques 52, fixés sur les côtés opposés du boîtier 16 par des équerres 53, passent librement par des ouvertures verticales 54 traversant la bride 46 et se terminent dans des taquets de levage cylindriques 58. En préparation au fonctionnement de l'actionneur 10, les tiges 50 sont abaissées pour occuper la position représentée en traits interrompus à la figure 3. La masse 24 glisse nécessairement vers le bas sur les tiges 50 quand l'actiofineur 10 est déclenché. Lorsque la masse 24 est venue frapper le socle plat 12, comme l'indique la figure 4, le dessous de la bride 46 est situé légèrement au-dessus des taquets 58. A la fin d'une opéra- tion de déclenchement, les vérins 52 sont actionnés pour remonter les tiges de piston 50 en forçant les taquets 58 à venir en contact avec la surface inférieure de la bride 46 et, comme l'indique la figure 5, à soulever la masse 24 jusqu'à sa position initiale de la figure 1 dans laquelle elle est verrouillée. En même temps, les réservoirs sous pression 28 sont à nouveau remis sensiblement à leur pression d'air originale. Les vérins hydrauliques 52 sont construits de manière à s'immobiliser exactement au moment o la surface supérieure 30 du piston 22 recouvre le joint supérieur 37. Au cours de l'opération décrite, un choc acoustique indésirable intervient non seulement du fait de l'impact des taquets 58 contre la bride 46 mais aussi du fait que le socle plat 12 est brutalement soulagé du poids de la masse 24, lequel est typiquement de l'ordre de 2,47 tonnes. Bien que la nature exacte de l'onde sismique secondaire résultante n'ait pas encore été analysée, elle semble être due, au moins en partie, à une brusque suppression de la contrainte élastique dans le sol. Afin d'amortir ce choc, le circuit du fluide de chaque vérin hydraulique 52 est de préférence conforme à ce qu'indique le circuit d'alimentation en fluide 59 représenté sur la figure 6. Selon des principes bien connus, une pompe 60 refoule un fluide hydraulique sous pression alter- nativement sur les faces opposées du piston 62 du vérin 52, sous l'action d'une vanne à deux voies 64 afin de faire sortir ou rentrer la tige 50 du piston 52. Des bâches 68 et 70 sont aussi installées pour permettre à la pompe de fonctionner à vide et au fluide de se décharger par la vanne 64. Un accumulateur hydraulique 72 est monté sur la conduite de fluide aboutissant à la face haute pression de la tige 50 du piston 62. Lorsque les taquets de levage 58 frappent la bride 46, le choc acoustique est absorbé au moins en partie par l'accumulateur 72 et l'onde sismique secondaire indésirable est notablement atténuée. Ceci vient du fait que l'accumulateur 72 augmente progressivement la pression du fluide dans le vérin 52 au fur et à mesure que la force de levage est appliquée, jusqu'à ce que soit atteinte une force suffisante pour dépasser le poids combiné de la masse 24 et du piston 22. L'accumulateur 72 peut être d'un type quelconque parmi plusieurs types classiques utilisant soit un gaz, soit des ressorts, comme milieu compressible qui soit séparé par un moyen rigide ou souple du fluide hydraulique incom- pressible. Dans un cas typique o le circuit de la figure 6 utilise une pression maximale du fluide de 22.064 kPa environ, un accumulateur de 9,5 1 environ du type à ballon d'azote a été jugé comme fonctionnant correctement et dans ses limites élastiques. Selon une autre forme de réalisation entrant dans le domaine de cette invention et illustrée à la figure 7, les tiges de piston 50 des vérins 52 sont équipées d'ensembles de ressorts cylindriques correspondants 74 en remplacement des taquets de levage 58. Chaque ensemble 74 comprend plusieurs ressorts hélicoïdaux parallèles 76 répartis autour de la tige de piston 50. Les extrémités inférieures des ressorts 76 sont placées à l'intérieur de douilles 78 s'ouvrant vers le haut et fixées à un disque 80 qui est formé à l'extrémité de la tige 50. Les extrémités supérieures des ressorts 76 sont fixées à un disque 82 qui flotte par rapport à la tige 50. Au moment du choc du disque 82 sur la bride 46, les ressorts 76 sont comprimés pour absorber le choc de cet impact. Le taux d'augmentation de la force ascendante exercée sur la masse 24 est fonction des constantes des ressorts parti- culiers choisis. De préférence, l'ensemble 74 est construit est de telle manière que la force maximale de levage/rendue égale à la réaction des ressorts 76 sans dépasser leurs limites élastiques. Une version modifiée de l'ensemble 74 comprend un autre ensemble de ressorts 84 (figure 8). Dans cette cons- truction, un disque supérieur 86 et un disque inférieur 88 sont reliés par des tiges longitudinales 90. Les extré- mités supérieures de ressorts de traction 92 entourant les tiges 90 sont fixées à un disque 94 porté par l'extré- mité inférieure de la tige 50. Les extrémités inférieures des ressorts 92 sont fixées au disque 88. Au moment de l'impact du disque 86 sur la bride 46, les ressorts 92 sont allongés par le mouvement ascendant continu du disque 94 jusqu'à ce que l'équilibre avec la force maximale de levage soit atteint. Si on le désire, il est possible d'associer les deux types de moyens amortisseurs de chocs décrits ci-dessus pour obtenir une commande plus efficace. Par exemple, dans un cas particulier, le circuit de l'accumulateur hydraulique de la figure 6 a été associé à l'emploi de l'ensemble de ressorts 74. De cette façon, la réduction de l'amplitude de l'onde sismique secondaire résultante par rapport à l'onde sismique primaire a augmenté de 18 à 40 dB. Cette réduction est suffisante pour éliminer notablement l'effet de cette onde sismique secondaire sur l'analyse sismique et l'interprétation ultérieures. Un avantage de cette invention vient du fait qu'il est difficile de s'assurer que les taquets de levage 58 ou encore les ensembles de ressorts 74 ou 84 frappent les faces opposées de la bride 46 précisément au même instant. L'introduction des moyens amortisseurs de chocs tels qu'ils ont été décrits réduit notablement la probabi- lité que des forces de levage dissymétriques soient appliquées à la masse 24, ce qui pourrait conduire à des dégradations ou à un mauvais fonctionnement. Les techniques d'amortissement de chocs décrites et représentées ne sont bien entendu pas complètement exhaustives. Par exemple, dans le cadre de cette invention, il est possible d'employer l'effet d'amortissement de ressorts pneumatiques en liaison avec un moyen de relevage hydraulique. De plus, on peut remarquer que les techniques telles qu'elles ont été décrites ici sont applicables, dans le cadre de cette invention, au problème correspondant de la fixation du socle plat lui-même lorsque le véhicule de transport est déplacé d'un endroit à un autre. Toute source sismique, qu'elle soit du type à impacts ou à vibra- tions et qui utilise une masse pesante, en particulier au cours d'opérations répétitives, peut faire face au besoin de diminuer le choc secondaire indésirable provoqué par le dégagement brusque du poids de cette masse par rapport au sol. A mesure que les techniques d'interprétation et d'analyse sismique se perfectionnent, la nécessité de réduire au minimum de tels effets secondaires devient de plus en plus importante. Dans le cadre de cette inven- tion, des moyens amortisseurs de chocs appropriés peuvent être installés. l1 REVENDICATIONS 1. Appareil pour générer une onde sismique dans le sol comprenant: (a) un socle plat destiné à appliquer de l'énergie acoustique au sol sous la forme d'une onde sismique; (b) une masse d'impact; (c) des moyens pour suspendre ladite masse en position haute écartée au-dessus dudit socle plat; (d) des moyens pour faire déplacer de haut en bas ladite masse à partir de ladite position de suspension, afin qu'elle frappe ledit socle plat en générant ainsi une onde sismique; (e) des moyens pour exercer une force sur ladite masse et capables de relever ladite masse par rapport audit socle plat jusqu'à ladite position haute; et (f) des moyens amortisseurs de chocs grâce auxquels ladite force de levage est exercée de façon que son ampli- tude augmente progressivement jusqu'à une valeur suffisante pour dépasser le poids de ladite masse. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé par le fait que lesdits moyens de relevage comprennent des moyens à vérins hydrauliques, fixés auxdits moyens de suspension et reliés de manière réglable à ladite masse afin de permettre une telle course descendante ainsi que l'application de ladite force de relevage. 3. Appareil selon la revendication 2, caractérisé par le fait que lesdits moyens amortisseurs de chocs com- prennent des moyens à accumulateur hydraulique qui règlent la pression du fluide desdits moyens à vérins hydrauliques, en réponse à l'application de ladite force de relevage. 4. Appareil selon la revendication 2, caractérisé- par le fait que lesdits moyens amortisseurs de chocs sont des moyens mécaniques à ressorts. 5. Appareil selon la revendication 2, caractérisé par le fait que lesdits moyens amortisseurs de chocs sont des ressorts pneumatiques. 6. Appareil pour générer une onde sismique dans le sol comprenant: (a) un socle plat pour appliquer de l'énergie acous- tique au sol sous la forme d'une onde sismique; (b) une masse d'impact comprenant un corps cylindrique vertical ayant une bride qui dépasse latéralement et dans laquelle sont ménagées des ouvertures verticales réparties sur la circonférence; (c) des moyens pour suspendre ladite masse en une position haute écartée au-dessus dudit socle plat; (d) des moyens pour propulser ladite masse de haut en bas à partir de ladite position de suspension afin qu'elle frappe ledit socle plat, en générant ainsi ladite onde sismique; (e) plusieurs vérins hydrauliques à double effet sont dont les extrémités fermées/fixées auxdits moyens de suspen- sion et qui comprennent des tiges de piston qui traversent lesdites ouvertures de ladite bride parallèlement à la trajectoire de ladite masse, les extrémités desdites tiges de piston pouvant dépasser au-dessous de ladite bride dans la position la plus basse de ladite masse; (f) un élément de levage -de diamètre agrandi fixé à chacune desdites extrémités de piston et capable de venir en contact avec ladite bride au moment du retrait de chacune desdites tiges de piston afin d'exercer une force derelevage sur ladite masse; (g) des moyens amortisseurs de chocs montés entre ladite bride et chacun desdits éléments de relevage élargis afin d'amortir le choc d'une telle venue en contact. 7. Appareil selon la revendication 6, caractérisé par le fait que chacun des moyens amortisseurs de chocs est un moyen mécanique à ressorts propre à être mis élasti- quement sous contrainte par l'application de ladite force de relevage. 8. Appareil selon la revendication 6, caractérisé par le fait que chacun desdits moyens amortisseurs de chocs est un ressort pneumatique. 9. Appareil selon la revendication 6, caractérisé par le fait qu'il comprend encore des moyens accumulateurs hydrauliques montés dans le circuit d'alimentation en fluide desdits vérins hydrauliques afin de régler la pres- sion du fluide de ce circuit en réponse à l'application de ladite force de relevage.