Brevet FR2793036A1 — publié le 20001103

i L'invention concerne la prospection sismique marine. Il est proposé plus particulièrement un procédé pour déterminer l'orientation de récepteurs horizontaux utilisés pour détecter des ondes de cisaillement dans des levés par câble de fond océanique. On obtient souvent des levés sismiques marins en utilisant des hydrophones connectés à des câbles électriques qui sont contenus dans des flûtes remorquées par des navires. Les hydrophones mesurent des ondes de pression (ondes P) qui sont réfléchies et réfractées à travers l'eau et les couches de la terre. On n'a pas besoin de connaître l'orientation des hydrophones. Il y a de nombreuses années, on effectuait l'acquisition de données sismiques en eaux peu profondes en utilisant des géophones connectés à des câbles fixes qui étaient placés manuellement sur le fond. On eu besoin rapidement d'étendre les opérations à des eaux plus profondes et on a mis en utilisation le câble de fond océanique dont la pose nécessitait l'utilisation de petits navires. Tant qu'on a utilisé des hydrophones et des géophones verticaux à un seul constituant, on disposait d'un procédé pour assurer l'orientation des géophones dans la direction verticale souhaitée. Au cours des dernières années, on s'est de nouveau intéressé à l'utilisation de dispositifs de récepteurs fixes sur le fond marin en eaux plus profondes avec des géophones à trois composantes (3C). On utilise souvent un hydrophone à proximité d'un géophone 3C pour produire un récepteur à quatre composantes (4C). Cet intérêt porté aux systèmes de câbles de fond océanique à quatre composantes a résulté de plusieurs facteurs, incluant le développement de techniques pour supprimer le bruit de réverbération de la colonne d'eau (comme décrit dans le document "Attenuation of Water-Column Reverberations Using Pressure and Velocity Detectors in a Water-Bottom Cable", 59th Ann. Internat. Mtg., Soc. Expl. Geophys., Dallas, E.U.A. (1989)), et la démonstration du fait que des ondes de cisaillement soumises à une conversion de mode peuvent être utilisées de façon très avantageuse pour obtenir des informations supplémentaires concernant le sous-sol. Des données de composantes multiples qui décrivent le champ d'onde vectoriel total du mouvement de particules d'ondes P et S sont nécessaires pour maximiser l'information pouvant être tirée d'un levé sismique. La position de récepteurs sur le fond océanique doit être connue pour l'acquisition de données. Ceci peut être réalisé, par exemple, par le procédé décrit par Edington et collaborateurs ("Ocean Bottom Receiver Location", 25th Ann. OTC, Houston, E.U.A., 3 au 6 mai 1993). Cependant, pour des géophones à trois composantes, on doit également connaître l'orientation. Les géophones sont normalement réalisés de façon que le géophone vertical rotule au moyen d'une suspension à la cardan pour rester vertical indépendamment de l'orientation du boîtier du géophone. Le problème important de l'orientation restant pour les systèmes de câble de fond océanique est alors la mesure de l'orientation ou de l'azimut des récepteurs horizontaux. Ces récepteurs enregistrent un mouvement de particules des ondes S, et le mouvement des particules peut s'étendre sur tous les azimuts, en particulier pour un levé en trois dimensions dans lequel un poste récepteur unique est entouré par des sources. Lorsque l'orientation horizontale n'est pas connue, des données d'ondes S détectées par les récepteurs horizontaux ne peuvent pas être convenablement combinées pour un traitement du champ d'onde vectoriel. L'orientation de géophones à trois composantes en prospection par câble de fond océanique peut différer d'un poste au suivant. Ceci est dû au fait que, lorsque le câble relié aux géophones et aux hydrophones est libéré du navire, il n'atteint pas toujours le fond de la mer dans une configuration droite. Le câble et les récepteurs peuvent arriver au fond de la mer alors que le câble présente des courbes. La courbure du câble et, dans certains cas, des surfaces inégales du fond peuvent placer des récepteurs horizontaux hors d'alignement par rapport à leur direction prévue. Le défaut d'alignement peut apparaître à un certain degré dans toutes les méthodologies d'acquisition, que les câbles soient remorqués ou largués ou avec des unités implantées sur le fond marin par des véhicules télécommandés. Dans le domaine de l'enregistrement de profils sismiques verticaux autour de puits, un besoin porte également sur l'orientation des composantes horizontales à chaque profondeur dans un sondage. Une solution proposée par DiSiena et collaborateurs (Vertical Seismic Profiling, Geophysical Press, 1984, pages 177 à 188) consistait à analyser la distribution d'amplitude de l'arrivée d'onde P descendante directe détectée par les récepteurs horizontaux x et y. On a constitué un histogramme de l'amplitude en fonction de l'orientation instantanée pour tous les échantillons de temps dans une fenêtre incluant l'arrivée directe. La case ayant le pic maximal dans l'histogramme était interprétée comme étant la direction horizontale alignée avec le mouvement des particules d'onde P et donc la direction source-récepteur. Etant donné que l'analyse de l'histogramme référençait un angle compris entre 0 et , la composante verticale était utilisée pour éliminer des ambiguïtés de polarités horizontales. On a besoin d'un procédé pour déterminer les orientations des récepteurs horizontaux pendant des prospections classiques par câble de fond océanique sans la nécessité d'un matériel supplémentaire. Ce procédé doit assurer la précision dans l'orientation qui assure la combinaison des divers récepteurs horizontaux de façon appropriée pour un traitement du champ d'onde vectoriel des données sismiques collectées. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemple nullement limitatif et sur lesquels: la figure 1 représente un dispositif de cinq lignes de géophones avec des récepteurs horizontaux parfaitement alignés le long de câbles droits; la figure 2 montre des géophones étendus en cinq lignes avec des récepteurs horizontaux non alignés dans la direction prévue; les figures 3a à 3c montrent une arrivée directe polarisée linéairement dans les directions x et y, un graphique de comparaison d'hodographes des données, et les données après une rotation dans un système de coordonnées radial-transverse; la figure 4 montre des angles dans un système de coordonnées utilisé pour un calcul d'azimut; et les figures 5a à 5c montrent une réponse de géophones horizontal, une réponse de pression et l'inter-corrélation de ces deux réponses. Un procédé pour déterminer les orientations de composantes horizontales de géophones dans une prospection par câble de fond océanique consiste à analyser les premières arrivées d'ondes directes dans l'eau et d'ondes réfractées décalées proches. Dans une forme de réalisation, le procédé consiste à réaliser une approximation par moindres carrés de l'énergie de la ligne transversale en fonction de l'azimut. Ceci détermine l'orientation de la composante en ligne avec une ambiguïté possible de 180 C. Si cette ambiguïté n'est pas aisément éliminée, dans une seconde forme de réalisation, on utilise un processus à deux étapes dans lequel, tout d'abord, l'orientation de la composante en ligne est déterminée avec une ambiguïté de 180 puis, en utilisant les données d'hydrophones en tant que référence, on résout l'ambiguïté de 180 par inter- corrélation avec la composante en ligne. L'orientation finale de la composante en ligne est la direction d'une inter-corrélation négative. L'azimut d'une source par rapport à un récepteur est connu lorsqu'une source, telle qu'un canon à air, se déplace par rapport aux récepteurs fixes. Pour chaque tir, l'angle de rotation qui minimise la composante transversale est déterminé et est interprété en tant que l'angle pour tourner le récepteur en ligne soit vers la source, soit dans le sens opposé. Le fait de répéter ce processus pour de nombreux enregistrements de source procure une estimation statistique de l'orientation de chaque récepteur. En référence à la figure 1, il est représenté un système 10 d'acquisition à cinq câbles avec des boîtiers de récepteurs 12, comprenant des récepteurs horizontaux, l'un des récepteurs horizontaux étant parfaitement aligné dans la direction d'un câble 14, le deuxième récepteur horizontal est orthogonal par rapport au récepteur aligné et tous les récepteurs verticaux étant alignés verticalement. Des données de composantes multiples sont généralement acquises à l'aide d'un système de coordonnées de polarisation rectangulaires pour des levées en deux dimensions ou en trois dimensions. Autrement dit, dans une position d'un récepteur quelconque, il y a des traces sismiques à trois composantes définies comme tant Sx(T), Sy(T) et Sz(T), o T est le temps d'origine. Celles-ci sont habituellement appelées les composantes en ligne, transversale et verticale de déplacement pour les directions correspondantes, respectivement, o la composante en ligne est parallèle à un certain référentiel tel qu'une ligne de récepteur ou de câble comme les lignes de récepteurs montrées sur la figure 1. Dans le cas de sources à composantes multiples, une ligne de tir peut être utilisée en tant que direction en ligne. Le système de coordonnées tel que montré sur la figure 1 est généralement un système orienté à droite. La composante en ligne est orientée dans la direction positive de la ligne de récepteur, la ligne transversale est orientée à 90 degrés vers la droite et la verticale est orientée vers le bas. L'orientation est vers la droite dans le sens o la composante y est décalée dans le sens des aiguilles d'une montre par rapport à la composante x en regardant dans le sens positif z. L'acquisition de données sismiques en utilisant un tel système implique normalement l'utilisation d'un dispositif de canons à air (non représenté) remorqué par un navire séparé, en tant que source d'énergie. Les câbles 14 sont fixes pendant l'acquisition de données. Un navire d'enregistrement ancré à l'aide de câbles fixés ou d'une bouée ou par d'autres moyens (non représentés) d'obtention de données à partir des câbles est utilisé. Des conceptions par couverture, couloir exploré ou radiales sont communément utilisées dans la sismique 3-D. Habituellement, quatre composantes sont enregistrées à partir d'un boîtier 12 de récepteur qui contient un hydrophone et un géophone à trois composantes. Deux récepteurs horizontaux, en ligne et transversal, fournissent des données d'ondes de cisaillement (données d'ondes PS) à partir d'ondes de pression soumises à une conversion de mode. La figure 2 montre une situation exagérée pour l'orientation de récepteurs horizontaux 12 dans un système ' d'acquisition à cinq câbles après que des courants marins et des effets dynamiques du câble pendant sa chute dans l'eau ont amené des boîtiers de récepteurs 12, comprenant des récepteurs horizontaux, à quitter leur alignement par rapport à leur direction prévue le long du câble, ou la direction en ligne. Pour plus de simplicité, les câbles ne sont pas représentés sur la figure 2, mais leur configuration est compatible avec les directions indiquées par les récepteurs horizontaux x et y. Le système de coordonnées n'est pas mentionné. Un navire 15 peut remorquer une source telle qu'un dispositif de canons à air qui a produit des sources en plusieurs positions 17 pendant que le navire parcourt un secteur 10'. Les figures 3a à 3c illustrent une arrivée directe enregistrée sur les deux géophones horizontaux à partir d'une source en des positions telles qu'indiquées en 17 (montrées sur la figure 2). Les sismogrammes enregistrés Sx et Sy représentent le signal provenant de la source 17, par exemple au géophone mis en évidence en 19. Lorsque des échantillons des deux composantes sont tracés dans un hodographe, tel que celui montré sur la figure 3(b), si l'onde reçue est polarisée linéairement, la réponse parcourt une ligne. La ligne fait un angle 0 avec l'axe x, qui est l'axe en ligne. Par contre, si la source est polarisée elliptiquement, la ligne est remplacée par une ellipse et l'angle du grand axe de l'ellipse suit une ligne formant un angle 0. Pour déterminer l'orientation des composantes horizontales, des analyses de polarisation d'arrivée première reposent sur des arrivées d'ondes P directes, ainsi que sur des réfractions d'ondes P, des réflexions d'ondes P et d'ondes PS, qui sont des événements sismiques polarisés linéairement. On suppose que l'ensemble source-récepteur est en ligne avec l'énergie d'arrivée première polarisée linéairement. Les composantes x et y peuvent être tournées mathématiquement dans un calculateur pour simuler des directions préférées de polarisation, comme si les données avaient été acquises avec une certaine autre orientation des récepteurs. Une rotation simple à deux composantes est effectuée par l'équation matricielle: (SWX CL(:oZ) sin(O)J SXJ (I (1) S' -stn(O) cos(óO USY) o 0 est l'angle de rotation. L'opérateur de rotation 2x2 peut être appliquée à chaque échantillon de temps des sismogrammes Sx et Sy pour donner de nouvelles traces sismiques S'x et S'y qui représentent la polarisation du champ d'onde sismique pour la nouvelle orientation dans le nouveau système de coordonnées. A titre d'exemple, le fait d'appliquer l'orientation souhaitée 0 aux données de la figure 3 place la totalité de l'énergie sur la composante radiale S'x=Sr et laisse sans énergie la composante S'y=St, comme montré sur la figure 3(c). L'opérateur dans l'équation 1 est unitaire et ne modifie pas l'amplitude totale des signaux. Les deux composantes Sx et Sy étant données, on estime 0 à partir de l'énergie de l'arrivée directe lorsque l'orientation n'est pas connue. Ceci donne l'orientation des géophones horizontaux lorsqu'ils viennent reposer sur le fond de la mer. La détermination de 0 est avantageusement réalisée par la méthode des moindres carrés pour trouver l'orientation optimale qui minimise l'énergie ce la composante transversale Sy'. Pour un tir unique, l'approche ajuste une courbe sinus/cosinus sur l'énergie totale de l'arrivée directe, E'y(O). L'énergie totale est la somme des amplitudes S'y élevées au carré sur la fenêtre de l'arrivée première. Ceci conduit au problème des moindres carrés, 1 [E'y, (Oi)- (a + b sin(oi) + ccos(O))]2 = min, (2) o l'indice de sommation, i, s'étend sur plusieurs orientations d'essai de 0 (au moins 3). Les coefficients a, b et c peuvent être déterminés et fournissent la direction pour laquelle l'équation 2 est un minimum. La direction du récepteur en ligne est y - em, O 0m est l'angle sur lequel l'énergie transversale est minimale et y est l'azimut source-récepteur dans le système de coordonnées, comme montré sur la figure 4. Une particularité intéressante de ce procédé est qu'il peut être exécuté sur de nombreux tirs, pour le même récepteur, de façon à procurer une mesure statistique de l'orientation. Habituellement, des tirs qui ont des décalages source-récepteur supérieurs à la profondeur du récepteur (100 à 200 mètres) et inférieurs à une valeur de 500 à 1000 mètres suffisent. Dans un levé en trois dimensions, tous les tirs dans cette plage de décalage, indépendamment de leur direction ou de leur azimut à partir du tir, sont choisis à des fins d'analyse. Un procédé équivalent pour déterminer 0m consiste à utiliser les méthodes des moindres carrés pour maximiser l'énergie sur la composante radiale S'x. L'orientation déterminée de cette manière présente une ambiguïté et peut être tournée en réalité dans le sens opposé, à 180 degrés de l'orientation correcte. S'il n'est pas possible de résoudre cette ambiguïté à partir d'une connaissance limitée d'une direction horizontale du récepteur, pour exemple en sachant que la direction des récepteurs doit être comprise dans une plage angulaire limitée par rapport à la direction du câble, on peut éliminer la certitude en mettant en intercorrélation la composante en ligne avec le signal d'hydrophone pour des tirs situés dans l'azimut déterminé du récepteur ainsi que pour l'azimut opposé. La figure 5(a) montre un exemple d'une réponse en ligne et la figure 5(b) montre une réponse de pression. Les deux signaux peuvent être mis en intercorrélation en utilisant l'équation 3. FuV' C du cadre de l'invention. REVEND I CATIONS 1. Procédé pour déterminer l'azimut d'un géophone horizontal dans un récepteur sismique (12) en une position connue sur un fond marin, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes dans lesquelles on mesure, pendant un intervalle de temps choisi, des signaux d'arrivée première produits par le géophone horizontal et par un second géophone horizontal qui lui est perpendiculaire, les signaux provenant d'une onde de compression émanant d'une source, la source étant sous un azimut connu v par rapport au récepteur, on résout le signal d'arrivée première en composantes suivant une ligne allant de la source au récepteur et une ligne perpendiculaire à la ligne allant de la source au récepteur par une rotation mathématique des signaux sur un angle 0, on calcule l'énergie du signal d'arrivée première le long de la ligne perpendiculaire à la ligne allant de la source au récepteur pour différentes valeurs de 0 afin de déterminer Om, la valeur de 0 pour laquelle l'énergie le long de la ligne perpendiculaire à la ligne allant de la source au récepteur étant une valeur minimale, et on calcule la différence de g et Om pour déterminer l'azimut du géophone horizontal. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre la répétition des étapes de la revendication 1 pour des signaux correspondant à différentes valeurs de y. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'étape consistant à choisir la valeur de Om est effectuée par l'exécution d'un calcul des moindres carrés de l'énergie dans la direction de la ligne perpendiculaire à la ligne allant de la source au récepteur. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'énergie minimale est calculée en utilisant l'équation [E'y(i)- (a + bsin(i) + COSOi]= in, Z [E'y(o1) -(a. + b sin(01) + cceos(o,))] 2 = main, o l'indice de sommation, i, s'étend sur plusieurs directions d'essai par rapport à la direction de la ligne du récepteur et les coefficients a, b et c sont déterminés pour donner Om. 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre les étapes dans lesquelles, pendant l'intervalle de temps choisi, on mesure un signal de pression provenant d'un hydrophone, l'hydrophone étant à proximité du géophone horizontal, on réalise une intercorrélation du signal de- pression provenant de l'hydrophone avec le signal provenant du géophone horizontal dans la direction de 0m et dans une direction qui en est à 180 degrés, et on sélectionne la direction qui donne une intercorrélation négative pour confirmer l'orientation du géophone en ligne. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'intercorrélation est effectuée en utilisant l'équation: C(T) = S +(t)P(t+T) o Sx, est la réponse horizontale et P est la réponse en pression.