Brevet FR2589249A1 — publié le 19870430

i0 ARRIERE-PLAN DE L'INVENTION 1. Domaine de l'invention Cette invention concerne d'une façon générale le domaine de l'exploration sismique et plus particulièrement un procédé et un appareil i5 perfectionnés pour appliquer de l'énergie vibratoire au sol, dans lesquels des combinaisons choisies d'énergie des ondes de compression et de cisail- lement puissent être générées simultanément. 2. Description de l'art antérieur Les récents progrès dans les possibilités qu'ont les équipements de sollecte et de traitement des données sismiques de traiter de grosses quantités de données ont stimulé un plus grand intérêt au développement de sour:es sismiques souples à haute énergie capables de produire à la fois des ondes de compression et des ondes de cisaillement. Un premier objecti f du développement des sources sismiques "à composantes multiples" Z5 crsiste à permettre à l'opérateur de mesurer de manière plus efficace les propriétés des formations situées au-dessous de la surface du sol comn:e par exemple la porosité, l'orientation des fractures, le type de fluide contenu dans les pores ou le type de lithologie. Il est connu que les ondes P, SH et SV se propagent à des vitesses respectives différentes 2 lorsqu'elles traversent une formation géologique particulière. Ainsi, des modifications des propriétés de la formation telles que le type de roche, sa porosité et autres caractéristiques peuvent être détectées au moyen de variations dans le domaine des ondes entières (c'est-à-dire des vitesses des ondes P, SV et SH). Une forte corrélation observée entre les variations latérales du rapport entre les vitesses des ondes de coipression et des ondes de cisaillement (Vp/Vs) avec des variations connues de la fonrmation géologique, font penser que ces variations pour- raient être utilisées pour en déduire les variations de la lithologie, de ia porosité ou de la teneur en fluide des pores d'une formation située audessous de la surface du sol. En enregistrant la forme d'onde entière d'une onde sismique comprenant des ondes P, SH et SV, il est possible d'obtenir des informations beaucoup plus détaillées concernant les pro- priétés des roches en profondeur que cela ne l'aurait été autrement. Il existe actuellement des sources sismiques de surface de deux prin- cipaux types qui ont été adaptés à la production des ondes P et S combinées. Le premier est la source de type par impulsion dans laquelle une lourde masse est propulsée dans une course descendante unique pour venir frapper une cible en contact avec le sol. L'autre est le transducteur de type vibratoire alternatif qui applique un signal commandé de fréquence variable au sol, un exemple en étant donné par le Vibroseis(marque déposée par Conoco, Inc.). C'est par ce dernier type de source sismique que l'invention qui va être décrite est particulièrement concernée. Le principe général d'application simultanée d'énergies vibratoires d'ondes de compression et de cisaillement au sol avec un appareil d'explo- ration sismique est expliqué dans le brevet US n 4.321.981 accordé à K.H. Waters le 30 mars 1982 et intitulé: "Vibrateur d'énergie sismique combinant des ondes de cisaillement et des ondes de compression". D'après ce brevet, une combinaison de deux ou plusieurs masses vibrantes peut être actionnée le long d'axes de vibration opposés et non verticaux, orientés sous un angle fixe l'un par rapport à l'autre dans des plans parallèles. Les instants de passage des masses par un point central commun au cours de leurs vibrations le long de leurs axes respectifs peuvent être déterminés pour établir une certaine relation de phase entre les deux mouvements vibratoires. En faisant varier les phases correspondantes des deux masses, il est possible d'effectuer simultané- ment les applications désirées des ondes de compression et des ondes de cisaillement. Le susdit brevet Waters-indique que les plans parallèles dans lesquels les axes de vibration des deux masses se situent doivent être orientés soit transversalement par rapport à la ligne d'exploration 3 2589249 sismique, c'est-à-dire à la ligne reliant l'emplacement de la source sismique et les géophones d'enregistrement, soit le long de cette ligne d'exploration. Avec un réglage de phase approprié, la susdite orien- tation transversale des axes des masses vibrantes permet de produire et d'enregistrer simultanément des ondes P et des ondes de cisaillement SH. D'autre part, si les axes de vibration sont alignés avec la droite d'exploration, on peut générer et enregistrer simultanément des ondes P et des ondes de cisaillement SV. Dans les deux cas, la composante verticale du mouvement produit ce que l'on appelle des ondes de cisail- lement SV "converties" mais ces ondes ne peuvent pas être traitées ni interprétées par des méthodes sismiques classiques. Ainsi, le susdit brevet Waters explique effectivement que c'est uniquement en exploitant l'appareil breveté successivement dans ces deux modes que l'on peut générer et enregistrer en un seul emplacement éloigné toutes les formes d'une onde sismique, comprenant des ondes P, SH et SV, d'une manière qui permette un traitement classique. La présente invention a comme objectif général de proposer un procédé et un appareil qui soient capables d'engendrer des ondes P, SH et SV simultanées au moyen d'énergie vibratoire. Dans la demande de brevet US n 772.878, déposée le 12 avril 1985 et intitulée "Appareil pour générer dans le sol des ondes combinées de cisaillement et de compression" qui est une division de la demande de brevet US n 504.557, déposée le 15 juin 1983, il est décrit d'une façon générale un procédé d'enregistrement simultané de la forme d'ondes entières d'un signal sismique, comprenant des ondes P, SH et SV. Le procédé exploite de principe d'appliquer un choc sur le sol avec une force orientée le long d'une trajectoire en pente inclinée sous un angle aigu prédéterminé par rapport à la direction verticale et avec un azimut faisant un angle aigu présélectionné par rapport à une droite sismique choisie. Cette force peut être décomposée en trois composantes orientées respectivement selon une trajectoire verticale et selon deux trajectoires horizontales dont l'une est perpendiculaire à une droite sismique donnée et l'autre orientée selon cette droite. Ainsi, une force unique appliquée au sol et créée par une masse accélérée vers une cible en contact avec le sol, peut simultanément générer des ondes P. SH et SV qui peuvent être enregistrées de manière efficace au moyen de trois géophones orthogo- naux disposés en un emplacement éloigné le long de la droite sismique donnée. Un appareil perfectionné pour orienter la force d'une source sismique de surface le long d'une trajectoire en pente, comme celui qui est décrit dans la susdite demande de brevet US n 772.878, est présenté dans la demande de brevet US n 676.762, déposée le 3 novembre 1984 et intitulée: "Moyen de montage et de contrôle pour une source sismique de forme d'onde entière". La correspondance entre les enseigne- ments de cette dernière demande et la présente invention tient au fait qu'il est prévu une rotation libre de la trajectoire d'application de la force autour de deux axes horizontaux mutuellement perpendiculaires. La demanderesse a compris que ce support de type "à la cardan" est bien adapté à la construction d'une source sismique de surface à mouvement vibratoire, avec un axe de vibration réglable en position. C'est donc un butplus particulier de cette invention de proposer un procédé et un appareil perfectionnés pour la génération simultanée d'ondes P, SH et SV au moyen de l'énergie vibratoire d'une seule masse en vibration. RESUME DE L'INVENTION Selon la présente invention, il est proposé un appareil dans lequel la masse vibrante d'une source sismique de surface peut être réglée de façon que son axe vibratoire soit orienté le long d'une trajectoire en pente ayant n'importe quelle inclinaison désirée par rapport à la verticale, associé à une orientation azimutale quelconque par rapport à une droite sismique reliant la source et l'enregistreur d'axe libre installé à distance. Plus particulièrement, l'appareil comprend un vibra- teur à vérin hydraulique supporté au-dessus d'une plaque de base ou socle plat en contact avec le sol dans une monture du type à la cardan permettant à l'axe du vibrateur de tourner autour de deux axes de rota- tion horizontaux mutuellement perpendiculaires. Des vérins hydrauliques s'étendant entre le socle plat et le vibrateur peuvent être actionnés en tandem afin d'obtenir n'importe quelle orientation désirée de la trajectoire en pente de l'axe du vibrateur. D'autres buts et avantages de cette invention apparaîtront à la 2589249 lecture de la description détaillée ci-dessus en tenant compte des dessins annexés. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS La figure 1 est une vue simplifiée en élévation, partiellement sous formie de schémas de principe, d'un appareil selon une réalisation préférée de la présente invention, illustrant l'orientation du vibrateur hydraulique le long d'une trajectoire en pente non verticale; a figure 2 est une vue en plan simplifiée de l'appareil de la figure 1, sur laquelle l'axe du vibrateur horizontal a été amené par O rotation en position verticale; et la figure 3 est une représentation schématique du vibrateur hydrau- liquc de l'appareil de l'invention, illustrant son orientation axiale par rapport à une droite d'exploration sismique. DESCRIPTiON DETAILLEE DE L'INVENTION En se référant maintenant aux figures 1 et 2, on peut voir un appareil de mise en pratique de l'invention utilisant une unique masse vibratoire, contrairement aux doubles masses vibratoires ou aux masses vibratoires multiples décrites dans le susdit brevet US Waters n 4.321.981. Sur les figures, on peut voir que l'ensemble vibratoire 2D cylinJrique 10 comprend tous les éléments internes (non représentés) qui ccnstituent les pièces nécessaires à un vibrateur sismique classique. es:'ments comprennent une masse vibrante montée de manière à coulisser sur un Diston qui est lui-même fixé à un boitier extérieur 11. La masse est soumise par un procédé hydraulique à un mouvement alternatif de ourte aîspitude à des fréquences variables. Quand la masse monte et descend, les forces de réaction agissant sur le piston sont couplées au socle plat 12 d'une manière qui sera décrite plus particulièrement i-dessous, en.induisant ainsi des vibrations sismiques dans le sol. L'ensemble 10 se termine à son extrémité inférieure par une J Lhape 14, fixée au moyen d'un pivot 15 à un arbre horizontal carré 16, lequel est, à s-on tour, monté de manière à pouvoir tourner axialement entre des supports verticaux 18. L'axe pivot de l'ensemble 10 s'étend erpendicuiairement à l'axe de l'arbre 16 et parallèlement au plan du socle plat 12. Le réglage en position de l'axe de vibration de l'ensemble vibra- toire 10 se fait au moyen de vérins hydrauliques 20, 22, 24 et 26, dont les extrémités inférieures sont fixées au socle plat 12 au moyen d'arti- culations inférieures analogues à des articulations à la cardan 30, formées dans des supports de montage correspondants 32. En un point intermédiaire entre les extrémités supérieure et inférieure de l'ensemble 10, des bras d'écartement 34 s'étendent dans une direction radiale à partir d'une bague circonférentielle 36 fixée au boitier extérieur 11. Les extrémités supérieures de pistons 38, 40, 42 et 44 qui sont respectivement mobiles à l'intérieur des cylindres 20, 22, 24 et 26 sont reliées aux bras d'écartement 34 au moyen d'articulations supérieures à la cardan 46. En manoeuvrant les vérins 20 et 22 en opposi- tion ou en "fonctionnement symétrique", il est possible d'incliner ou de faire pivoter la trajectoire axiale de l'ensemble 10 dans l'un ou l'autre sens autour de l'axe horizontal passant par le pivot 15. De même, un fonctionnement "symétrique" des vérins hydrauliques 24 et 26 fait tourner l'ensemble 10 autour de l'autre axe horizontal le long de l'arbre 16. La liberté de mouvement nécessaire à tous les quatre vérins hydrauliques à leurs extrémités supérieure et inférieure est garantie par les articulations universelles 30 et 46. Ainsi, en manoeu- vrant en tandem les deux jeux de vérins, on peut aligner l'ensemble 10 pour que sa trajectoire en pente prenne n'importe quelle orientation désirée par rapport à la direction verticale et par rapport à une ligne sismique donnée. Par exemple, en faisant respectivement sortir et rentrer les pistons 38 et 40, on peut incliner l'ensemble 10 dans le sens inverse des aiguilles d'une montre de manière que son axe 68 fasse un angle al par rapport à la verticale, comme on le voit mieux sur la figure 1. Si en plus on fait sortir ou rentrer les pistons 42 et 44 sur des distances appropriées, on peut encore faire tourner l'axe 68 de l'ensemble 10 jusqu'à la position représentée en trait mixte dans le quadrant inférieur gauche de la figure 2. Dans cette position, l'axe 68 fait un angle a2 par rapport à l'axe de l'arbre 16. Le résultat net de ces deux rotations de l'axe de vibration 68 de l'ensemble 10 peut mieux se concevoir mainte- nant en examinant la figure 3. Sur la figure 3, il a été supposé, à titre d'illustration, que le socle plat 12 était posé sur le sol et orienté de manière que l'axe de l'arbre 16 coîncide avec la ligne 60, 7 2589249 à angle droit ou perpendiculairement à la droite sismique 62 reliant la source sismique ponctuelle 64 et les géophones orthogonaux placés à distance 66. La rotation de l'axe vibratoire 68 de l'ensemble vibra- teur 10 sur des angles a1 et a2 comme décrit ci-dessus, amène l'axe 68 dans un plan vertical 70 faisant un angle aigu par rapport à la droite sismique 62. Pour garantir un bon couplage de l'énergie vibra- toire de l'ensemble 10 avec le sol, les parois latérales intérieures de la chape 14 devraient de préférence être des surfaces planes en contact coulissant avec les faces planes correspondantes de l'arbre 16. De même, les extrémités de l'arbre 16 devraient reposer très près contre les supports 18. Le choc vibratoire contre le sol d'une unique masse, appliqué le long de l'axe 68 de la manière décrite ci-dessus, permet d'enregistrer, au moyen de trois géophones orthogonaux 66, une combi- naison quelconque d'ondes P, SH et SV, les géophones étant situés de façon que leurs axes soient respectivement alignés verticalement le long de ladite droite sismique et à angle droit par rapport à elle. Afin d'ajuster les amplitudes relatives de ces ondes, il est possible de faire varier les amplitudes des angles al et a2. On peut faire tourner par ordinateur les enregistrements des signaux reçus pour renforcer et identifier davantage les composantes SH et SV si on le désire. Une orientation verticale de l'ensemble 10 peut être utilisée à titre de comparaison avec un choc incliné pour identifier les ondes de cisaille- ment SV converties. Si on le désire, sans déplacer l'ensemble 10 par rapport à la source sismique ponctuelle 64, on peut, de la manière décrite, appliquer deux entrées vibratoires distinctes au sol, chacune ayant un azimut oblique différent par rapport à la droite sismique 62 afin de permettre d'observer les différences entre les vitesses des ondes SH et SV. On peut également, de cette manière, ajuster l'angle d'azimut c2 en réponse à une orientation,variable avec la profondeur, du réflecteur situé au-dessous de la surface du sol. Si l'angle (1, tel qu'il est illustré sur la figure 3, est limité à une valeur proche de la verticale, par exemple entre 5 et pas plus de 25 par rapport à la verticale, on pense que l'amplitude de l'énergie de l'onde de cisaillement résultantepour certaines conditions du sol proches de la surface, garde de très près la valeur maximale que l'on 8 -2589249 peut obtenir avec un dispositif ayant le caractère de l'ensemble 10. La compression augmentée du sol résultant d'un impact proche de la verti- cale augmente la raideur et l'amplitude de l'onde de cisaillement dans le sol à l'endroit o ces propriétés sont déficientes. Si, en service, le couplage par frottement entre le socle plat 12 et le sol est inter- rompu par un mouvement alternatif continuel de l'ensemble 10, le dessous du socle plat 12 peut être équipé de taquets en forme de pyramide inversée (non représentés). De tels dispositifs de couplage sont bien connus et ils ont été, par exemple, décrits dans le brevet US n0 3.159.232 délivré à D.W. Fair, le ler décembre 1964. La commande de la fréquence et de la vitesse de balayage de l'ensemble vibrateur 10 peut être effectuéed'une manière bien connue des spécialistes de cette technique, en utilisant une source hydrau- lique 76 et des vannes de commande 78. Des servo-vannes 80 peuvent alors être commandées par des signaux provenant de la commande de balayage 82 afin d'assurer le mouvement alternatif de la masse interne de réaction à l'intérieur de l'ensemble 10 et le mouvement vibratoire correspondant de l'ensemble 10. Le socle plat 12 est relié à n'importe quel véhicule de transport approprié 81 au moyen d'éléments de support hydrauliques coulissants réglables 84. En-sortant les supports 84, on peut soustraire le poids du véhicule de transport 81 en totalité ou en partie à sa suspension normale à ressorts et à ses pneus de façon qu'il porte directement sur le socle plat 12 et le stabilise. Un autre raffinement du fonctionnement de cette invention consiste à orienter d'abord l'axe vibratoire de l'ensemble 10 le long de l'axe 68, puis à amener par rotation l'axe de l'ensemble 10 à une position axiale de phase inversée comme l'indique la ligne en trait mixte de la figure 2, l'enregistrement vibratoire étant obtenu dans les deux posi- tions. L'azimut de l'axe 85 est tourné de 180 par rapport à celui de l'axe 68 sur les figures 1 et 2, tandis que la trajectoire en pente de l'axe 85 s'écarte de la verticale du même angle que précédemment mais dans le sens des aiguilles d'une montre comme l'indique le trait mixte de la figure 1. Une telle inversion de phase entre des axes de vibration successifs permet de mesurer l'énergie des ondes SV et SH 9 2589249 le long de la droite sismique 62 de la figure 3, dans n'importe quelle proportion désirée, à l'écart de toute énergie d'ondes P ou de roulis du sol ou d'autres propagations à inversion indésirable sans inversion de phase. En retranchant les amplitudes des ondes d'un enregistrement de celles de l'autre enregistrement, ces ondes qui ne sont pas à phase inversée s'annulent. il faut bien comprendre que la forme particulièredu vibrateur décrit cidessus, ainsi que les moyens utilisés pour régler la position de l'axe de vibration de l'ensemble vibratoire 10, sont présentés uniquement à i0 titre d'illustration et ne doivent pas être considérés comme limitant la portée du procédé et de l'appareil de l'invention. 2589249 REVENDICATIONS 1. Procédé d'exploration sismique utilisant l'induction simultanée ondes sismiques de cisaillement et de compression dans le sol, caracté- rise en ce qu'il comprend les opérations suivantes: (a) induction dans le sol d'une vibration en un point donné de la surface du sol, ladite vibration étant orientée le long d'un axe en pente faisant un premier angle aigu avec la direction verticale et sous un azimut faisant un second angle aigu avec une droite sismique choisie,et (b) enregistrement des ondes combinées de compression, SV et SH résultant de ladite vibration à distance dudit point donné le long de - - -adI-tedr-o-ite- cismique, lesdits premier et second angles étant choisis ce façon que les amplitudes relatives desdites ondes soient entre elles dans un rapport désiré. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites ondes de compression, SV et SH sont enregistrées au moyen de trois géophones orthogonaux dont les axes sont respectivement alignés vertica- lement, le long de ladite droite sismique et perpendiculairement à cette de-rniere. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit premier angle aigu ne dépasse pas 20 . 4. Appareil pour appliquer des signaux vibratoires sismiques au sol le long d'une trajectoire vectorielle choisie, caractérisé en ce qu'il comprend: (a) des moyens pour produire des vibrations alternatives le long d'un axe vibratoire donné; (b) un socle plat en contact avec le sol; (c) un arbre monté sur ledit socle plat parallèlement à ce der- nier mais écarté de celui-ci,ledit arbre étant agencé de manière à pouvoir tourner autour de son axe longitudinal, lesdits moyens vibratoires étant reliés par un moyen pivotant à cet arbre entre les extrémités de ce vibratoires dernier pour faire tourner lesditsnmyens/autour d'un axe horizontal perpen- diculaire à l'axe dudit arbre; et (d) des moyens de commande de la rotation desdits moyens vibratoires et dudit arbre autour de leurs axes de rotation respectifs, ces moyens de commande étant tels que ledit axe vibratoire coïncide avec ladite trajectoire vectorielle. 5. Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que la rotation desdits moyens vibratoires et celle dudit arbre sont effectuées simultanément. 6. Appareil pour appliquer des signaux vibratoires sismiques séparés au sol le long d'une trajectoire vectorielle choisie, caractérisé en ce qu'il comprend: (a) un moyen pour produire des vibrations alternatives le long d'un axe de vibration; (b) un socle plat en contact avec le sol, (c) un arbre monté sur ledit socle plat parallèlement à celui-ci mais à une certaine distance, ledit arbre étant agencé de façon à pouvoir tourner autour de son axe longitudinal, ledit nloyen de vibration étant relié par un moyen pivotant audit arbre entre les extrémités de ce dernier pour faire tourner ledit moyen ûe vibration autour d'un axe perpendiculaire à l'axe dudit arbre; (d) un premier moyen hydraulique monté entre ledit socle plat et ledit moyen de vibration pour faire tourner ledit moyen de vibration autour de son axe de rotation par l'intermédiaire dudit arbre; et (e) un second moyen hydraulique monté entre ledit socle plat et ledit moyen de vibration pour forcer ledit moyen de vibration à tourner autour de l'axe longitudinal dudit arbre, de telles rotations combinées étant agencées de manière à amener l'axe de vibration dudit moyen de vibration en coïncidence avec ladite trajectoire vectorielle.