Brevet FR2807584A1 — publié le 20011012

La présente invention concerne une méthode et un dispositif d'émission d'ondes élastiques radiales dans un milieu matériel tel que le sous sol, par induction électromagnétique. utilisable notamment pour générer ondes sismiques dans des puits tubés ou dans une masse d'eau. Le dispositif selon l'invention trouve des applications notamment pour réaliser des opérations de prospection ou de surveillance sismique sous-sol dans laquelle classiquement on déclenche l'émission d'ondes sismiques et l'on enregistre les ondes renvoyées par les discontinuités de la formation au moyen de récepteurs sismiques (géophones, hydrophones), dans le but de former des sismogrammes. Le dispositif peut être utilisé par exemple pour générer des ondes sismiques à l'intérieur de puits tubés ou non ou dans une masse d'eau. Etat de technique Il existe différents types de sources sismiques adaptées à émettre dans des puits. Elles mettent en jeu - soit une explosion : charge ponctuelle ou allongée, cordeau détonant enroulé hélicoïdalement sur un mandrin rigide, etc. ; - soit une étincelle électrique (claquage entre électrodes dans l'eau, explosion de fil sous l'effet d'une décharge électrique, etc.) ; - soit un choc mécanique vertical d'une masse chutant ou projetée vers une enclume solidaire d'un bloc d'obturation ou packer qui produit sur la paroi du puits un cisaillement vertical principalement générateur d'onde S ; - soit un choc horizontal suivant une direction radiale, d'une masse propulsée radialement par des moyens hydrauliques ou électro magnétiques et qui frappe la paroi du puits en un point. Pour créer des ondes sismiques dans les puits, on utilise aussi des sources vibratoires contrôlées de type piézoélectrique magnétostrictif, couplées (ou non) à la paroi du puits qui émettent des mono fréquences ou des signaux codés ou modulés en fréquence par une rampe. Ces sources peuvent être utilisées dans un puits tubé ou non. Dans le cas des puits tubés leur efficacité est affectée par la raideur du cuvelage qui limite la contrainte appliquée au milieu environnant. Le dispositif selon l'invention utilise un principe physique connu en soi c'est-à-dire l'action motrice procurée par un champ magnétique impulsionnel déjà utilisé dans d'autres domaines, par exemple la réalisation de sources acoustiques marines où l'on utilise la répulsion de deux disques métalliques encadrant une bobine plate alimentée par un générateur de choc électrique (structure plane) ; la réalisation d'obturateurs électromagnétiques pour rayonnements électromagnétiques (spectre optique ou X) constitués tube métallique mince placé dans l'axe et à l'intérieur d'une bobine dont le champ magnétique impulsionnel provoque l'écrasement ; - l'accélération de plasmas, etc. La méthode selon l'invention permet de générer des ondes élastiques radiales dans un milieu matériel. Elle consiste essentiellement à dilater radialement au moins une partie de la paroi d'un tube métallique au contact du milieu sous l'effet d'une pression magnétique engendrée par induction électromagnétique, avec émission dans le milieu des ondes élastiques créées dans le milieu sous l'effet de cette dilatation. dispositif selon l'invention permet de générer des ondes élastiques radiales dans un milieu matériel. Il comporte essentiellement un tube métallique au contact du milieu et des moyens moteurs disposés à l'interieur du tube pour exercer soit une pression magnétique isotrope sur toute la paroi du tube provoquant une dilatation radiale de la paroi du tube métallique, soit une pression magnétique anisotrope sur la paroi du tube provoquant une dilatation radiale (anisotrope) d'une partie seulement de la paroi du tube métallique. Suivant un premier mode de réalisation, les moyens moteurs comportent une bobine formée par exemple sur un mandrin isolant avec pas d'enroulement constant ou un pas d'enroulement variable qui peut croître de la partie centrale vers les extrémités de la bobine pour accroître le rayonnement dipolaire suivant l'axe de la bobine, ou bien décroître de la partie centrale vers les extremités de la bobine pour modifier le diagramme de rayonnement acoustique en fonction de la fréquence. Suivant un autre mode de réalisation, les moyens moteurs comportent au moins une bobine formée sur une portion de paroi cylindrique d'un mandrin, destiné à créer une pression magnétique anisotrope s'exerçant sur au moins une portion cylindrique du tube. La bobine peut comporter un noyau de perméabilité magnétique élevée et faible champ coercitif. Le générateur électrique peut être un générateur de choc adapté à fournir des impulsions de courant ou bien encore un générateur adapté à fournir des trains d'impulsions de courant de façon à générer des vibrations dans le milieu. Ce générateur de trains d'impulsions peut être commandé par exemple par un élément de pilotage adapté à engendrer un signal de commande à fréquence variable. Le tube est par exemple un tube de cuvelage de puits couplé mécaniquement avec les formations environnant le puits et moyens moteurs peuvent comporter une sonde connectée à un générateur 'lectrique d'excitation, cette sonde étant adaptée à être déplacée dans le puits jusqu'à un lieu de déclenchement. Suivant un mode de réalisation, le générateur électrique comporte par exemple une batterie de condensateurs disposée dans une enceinte au voisinage de la sonde, alimentée par une source électrique à distance de l'enceinte. Suivant un mode de réalisation, le tube est la paroi latérale d'une enceinte étanche, les moyens moteurs comprenant un bobinage disposé dans l'enceinte, le générateur électrique étant disposé au moins partie à l'extérieur de l'enceinte. dispositif peut être utilisé par exemple dans le cadre opérations d'exploration ou de surveillance sismique terrestre d'un réservoir souterrain. On émet des ondes dans les formations entourant le puits par déclenchement du générateur électrique 3, on reçoit et on enregistre des ondes renvoyées par les discontinuités de la zone souterraine et on traite les enregistrements de manière à former des sismogrammes de la zone. dispositif peut être utilisé aussi par exemple dans le cadre d'opérations d'exploration ou de surveillance sismique marine d'une zone souterraine sous une masse d'eau, avec immersion de l'enceinte 19 (cf. Fig.10) depuis un véhicule ou une installation fixe 20, émission d'ondes dans la masse eau, par déclenchement du générateur électrique 3 réception et enregistrement des ondes renvoyées par les discontinuités la zone souterraine, et traitement des enregistrements de manière à former des sismogrammes de la zone. D'autres caractéristiques et avantages de la méthode et dispositif selon l'invention, apparaîtront à la lecture de la description ci-après portant sur exemples non limitatifs de sources impulsionnelles, en se 'férant aux dessins annexés où la Fig.l montre schématiquement le principe du dispositif avec un générateur électromagnétique d'impulsions de courant pour créer une dilatation dans un tube ; la Fig.2 montre le circuit équivalent simplifié du générateur de courant ; - la Fig.3 montre schématiquement la répartition des contraintes mécaniques ; - la Fig.4 montre un exemple pratique de réalisation générateur d'impulsions ; - la Fig.5 montre un exemple de variation en fonction du temps de la tension appliquée à la bobine primaire du générateur d'impulsions ; - la Fig.6 montre un exemple de variation en fonction du temps du courant électrique correspondant circulant dans le tube ; - la Fig.7 montre un exemple de signal sismique reçu par un capteur d'ondes tel qu'un géophone à une certaine distance de la source sismique - la Fig.8 montre le spectre de fréquence du signal sismique de la 7 ; - la Fig. 9 montre schématiquement une variante du mode réalisation de la Fig.4 - la Fig montre schématiquement une application du dispositif pour engendrer des ondes acoustiques dans l'eau ; - la Fig 11 montre un mode de réalisation utilisant des bobinages plats permettant de créer une source dipolaire anisotrope ; et - la Fig.12 illustre l'effet sur le tube que crée l'application courants aux bobinages de la Fig.11. Pour générer des ondes sismiques dans un milieu matériel, on provoque, comme on l'a vu, une variation de la section transversale d'un tube métallique au contact du milieu, en l'occurrence dans l'exemple décrit une dilatation radiale du tube 1, sous l'effet d'une pression magnétique engendrée par induction électromagnétique. Cette pression magnétique est créée (Fig.l) au moyen bobinage coaxial 2 ' N spires placé à l'intérieur du tube 1, auquel applique une impulsion de courant électrique intense I1 produite par un générateur de choc électrique 3 ce qui génère un champ magnétique axial H. Par induction, il se crée un courant induit 12 qui parcourt circulairement le tube métallique 1. Le champ magnétique axial H produit sur tout élément du tube 1 parcouru par le courant 12, une force électromagnétique orthogonale F dirigée radialement. Le tube se comporte localement comme une spire unique fermée sur elle-même. Le système bobine/cuvelage se comporte comme un transformateur à air (Fig.2) avec un enroulement primaire LP (bobine 3) et enroulement secondaire LS (le tube 1). Pour que le courant induit (e = soit maximum, il faut une rapide variation de flux. La décharge électrique fournie peut être fournie par la décharge de condensateurs C. générateur de choc électrique 3 comporte par exemple (Fig.2) une alimentation continue 4, un banc de condensateurs 5, un éclateur 6 assurant la commutation de courant dans la bobine 2. une bonne partie de la longueur de la bobine, les ondes générées sont des ondes de compression PW (Fig.3). Au niveau des parties terminales opposées de la bobine 2, le champ magnétique créé est dipolaire et les ondes générées sont également de type S. Pour que ce processus s'effectue avec un rendement acceptable, il faut que le couplage magnétique bobine excitatrice l casing soit voisin de 1, ce qui implique que la bobine soit longue par rapport à son diamètre D et que ce diamètre soit voisin du diamètre intérieur du tube ou casing. On choisit exemple une bobine de longueur L telle que D/L Il faut également que la variation de flux soit très rapide pour que l'induction dans le circuit secondaire soit la plus intense possible et que surface du tube ou casing soumise à la contrainte radiale soit suffisante pour assurer un rayonnement élastique dans la gamme de fréquence recherchée. Le générateur de choc est adapté au circuit équivalent de la source. circuit 'lectrique vu du générateur de choc 3, est essentiellement composé d'une self Lp et d'une résistance. Pour conserver le fonctionnement en mode impulsionnel et éviter une décharge oscillante dont les inversions de polarité sont 'fastes aux condensateurs du générateur de choc électrique, il est nécessaire de régler le système pour être à l'amortissement critique. Le circuit électrique équivalent de la source sismique est un transformateur dont le secondaire (le tube) est fermé sur lui-même. impédance vue au primaire du transformateur est celle du secondaire multipliée par le carré du rapport de transformation. Le rapport de transformation étant N, l'impédance ramenée au primaire est = NZ.Z, La détermination de N dépend des caractéristiques du tube mis jeu et de la capacité équivalente du circuit de décharge. La fréquence dominante dépend de la résonance électrique du circuit équivalent. Pour une énergie et une fréquence centrale données, la capacité du générateur de choc électrique et sa tension de charge fixent la valeur de l'énergie potentille du système. La self présentée par la source elle-même doit être dimensionnée (longueur, nombre de spires, etc.) pour obtenir la fréquence moyenne désirée. Le tube 1 peut être par exemple un tube de cuvelage d'un puits ou casing et l'on positionne la bobine coaxiale 2 à l'intérieur du tube à la profondeur où l'on souhaite générer des forces magnétiques radiales. La source sismique de puits illustrée schématiquement à la Fig.4, comporte un mandrin rigide 7 en matériau isolant sur lequel est bobiné un solénoïde 8 et un câble électrique 9 connectant le bobinage 8 générateur de choc 3. Le câble électrique 9 est par exemple un câble coaxial les extrémités opposées du bobinage 8 étant connectées respectivement au conducteur central et au blindage 11. Le câble électrique reliant le bobinage 8 générateur de choc 3 doit être le plus court possible pour éviter les pertes. Si la source sismique est destinée à des opérations de prospection sismique dans des puits relativement profonds, (de l'ordre de 200 mètres ou plus, typiquement), on scinde le générateur de choc 3 en deux parties. La source sismique est suspendue par une portion de câble 12 à un container 13 où l'on place la batterie de condensateurs 5 et l'éclateur 6. Un autre câble électrique 14 relie le container 13 à un ensemble 15 disposé par exemple en surface comprenant la source électrique 4 et un circuit de déclenchement 16 (cf. Fig.2). Le déclenchement du choc électrique est précis (incertitude de l'ordre de la micro-seconde) et la quasi absence de mouvement mécanique exceptée la dilatation du tube, permet une excellente synchronisation et un bonne repétitivité de la signature du signal émis. Exemple de réalisation Une bobine a été réalisée pour un casing de 7 pouces et un générateur choc à stockage capacitif de IkJ lui a été associé (C=80 pF, V=5 kV). La bobine de 145mm de diamètre moyen (150mm hors tout) comportait spires en une seule couche sur une longueur de l m. La résistance de la boucle constituée par 1 m du casing est de l'ordre de 10-4 S2 . Les Fig. 5 et 6 montrent respectivement la forme du signal à la sortie générateur de choc électrique et celle du courant circulant dans le tube casing. L'impulsion a une forme d'onde proche de celle souhaitée quand on est à l'amortissement critique. Le pic de courant est de l'ordre de 300 kA, ce qui procure un pic de pression de l'ordre de 60 kPa. Le signal sismique émis mesuré par un géophone dans un puits à 5 m au-dessus de la source est représenté sur la Fig.7. Son spectre concorde avec celui de l'impulsion électrique avec un maximum d'amplitude vers 600 Hz (Fig.8 ). Variantes Pour 'liorer le rendement de la source, on peut augmenter le champ magnétique axial en plaçant un noyau ferromagnétique 17 (cf. Fig.4) dans la bobine excitatrice pour améliorer le couplage mutuel du solénoïde avec le tube ou l'élément casing. Du fait du mode de fonctionnement, il est essentiel que ce noyau 17 présente des pertes peu importantes (hystérésis, courants de convection), et que sa rigidité mécanique soit élevée pour assurer la stabilité géométrique de la bobine. Un noyau 17 constitué par exemple en céramique (ferrite ferromagnétique à faible champ coercitif), satisfait très bien ' ces exigences. Il se prête à la realisation d'un enroulement du solénoïde incrusté à la surface du mandrin céramique par exemple) pour une meilleure stabilité dimensionnelle de la bobine (meilleure résistance aux forces magnétiques dont elle est elle meure le siège). Autres variantes Il possible aussi de réaliser un bobinage (2 ou 8) ' pas variable pour pondérer la pression magnétique le long du tube dans le but de régulariser le diagramme de rayonnement acoustique. Le pas peut par exemple décroître symétriquement depuis le milieu de la bobine 2 pour modifier le diagramme de rayonnement acoustique en fonction de la fréquence, ou bien croître symétriquement avec un pas plus serré vers les extrémités pour accroître le rayonnement dipolaire suivant l'axe de la bobine. Suivant le mode de réalisation des Fig.ll, 12, les moyens moteurs comportent deux bobinages plats ou galettes cintrés 22A, 22B formés sur deux portions opposées de la paroi latérale d'un mandrin 23 (par incrustation sur des portions de paroi rainurées par exemple). Avec cet agencement, l'application courants électriques à ces bobinages crée forces radiales sur deux portions de paroi opposées 24 du tube 1. On réalise ainsi une source anisotrope dipolaire. Pour applications dans un puits tubé, le tube 1 est tubage du puits lui-même. Dans les autres cas où le dispositif est placé dans puits non tubé ou une cavité formée dans le milieu, il comporte un élément de tube extérieur ou une gaine métallique cylindrique enfermant les circuits électriques d'excitation. On a décrit jusqu'ici des exemples où le milieu matériel en contact avec le tube 1 est un milieu solide. On ne sortirait pas du cadre de l'invention en utilisant le dispositif pour émettre dans l'eau des ondes élastiques radiales (Fig.10). Le mandrin avec son bobinage extérieur 8, 21 comme décrit aux Fig.4 ou 12, est placé dans un tube 19 fermé à ses extrémités et isolé électriquement milieu extérieur. Le dispositif peut être fixé à la coque d'un navire ou à structure flottante 20 ou bien être remorqué en immersion par un câble de remorque 21 qui peut être par exemple le câble coaxial d'alimentation électrique tel que le câble 9. On a décrit également un mode de commande destiné à produire des signaux sismiques impulsionnels. Il est bien évident cependant qu'en alimentant le bobinage (2, 8) par des signaux électriques périodiques plus longs, on peut aussi bien générer des vibrations dans le milieu environnant la source. On utilise un élément de pilotage 18 (cf. Fig.9) adapté à générer des signaux de commande à fréquence variable et obtenir ainsi des vibrations à fréquence croissante ou décroissante, à rampe linéaire ou logarithmique, ou bien une succession de mono-fréquences. Dans un tel cas, on peut jouer aussi sur l'intensité des signaux électriques pour relever ' nécessaire le niveau des basses fréquences. Le dispositif peut être utilisé par exemple aussi bien pour des opérations de prospection sismique que pour des opérations de surveillance sismique d'un gisement d'hydrocarbures en cours de production ou d'exploitation d'un réservoir souterrain de stockage de fluides. Il est particulièrement adapté notamment pour faire de tomographie sismique entre puits. Les opérations de traitement des traces sismiques comportent classiquement une mise en corrélation des signaux sismiques renvoyées par les discontinuités du milieu exploré par le signal pilote de commande du vibrateurs. La contrainte radiale exercée sur le milieu environnant étant ici toujours du même sens, quelle que soit la polarité champ magnétique, on utilise, comme signal de référence, soit le signal pilote après redressement, soit encore le carré du signal pilote. REVENDICATIONS 1) Méthode pour générer des ondes élastiques radiales dans un milieu matériel, caractérisée en ce que l'on dilate radialement une partie au moins de la périphérie d'un tube métallique (1) au contact du milieu sous l'effet d'une pression magnétique engendrée par induction électromagnétique, avec émission dans milieu des ondes élastiques créées dans le milieu sous effet de cette dilatation. 2) Dispositif pour générer des ondes élastiques radiales dans un milieu matériel, caractérisé en ce qu'il comporte un tube métallique (1) au contact du milieu et des moyens moteurs disposés à l'intérieur du tube pour exercer une pression magnétique isotrope sur la paroi du tube provoquant une dilatation radiale de la paroi de celui-ci. 3) Dispositif pour générer des ondes élastiques radiales dans un milieu matériel, caractérisé en ce qu'il comporte un tube métallique (1) au contact du milieu et des moyens moteurs disposés à l'intérieur du tube pour exercer une pression magnétique anisotrope sur la paroi du tube provoquant une dilatation radiale d'au moins une partie de la paroi de celui-ci. 4) Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte un tube métallique (1), une bobine (2) placé à l'intérieur du tube un générateur électrique (3) connecté à la bobine, destiné à créer dans la bobine (2) des variations de courant électrique. 5) Dispositif selon la revendication 2 ou 4, caractérisé en ce la bobine (8) est formée sur un mandrin isolant (7)avec un pas d'enroulement constant. 6) Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la bobine (8) est formée sur un mandrin isolant avec un pas d'enroulement croissant de la partie centrale vers les extrémités de la bobine pour accroître le rayonnement dipolaire suivant l'axe bobine. 7) Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la bobine (8) est formée sur un mandrin isolant avec un pas d'enroulement décroissant de la partie centrale vers les extremités de la bobine pour modifier le diagramme de rayonnement acoustique fonction de la fréquence. 8) Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens moteurs comportent au moins un bobine (22) formé sur une portion de paroi cylindrique d'un mandrin (23), destiné à créer une pression magnétique s'exerçant sur au moins une portion cylindrique (24) du tube (1). 9) Dispositif selon l'une des revendications 4 à 8, caractérisé en ce que la bobine (8, 21) comporte un noyau 17) de perméabilité magnétique élevée et faible champ coercitif. 10) Dispositif selon l'une revendications précédentes 2 à 9, caractérisé en ce que le tube (1) un tube de cuvelage de puits couplé mécaniquement avec les formations environnant le puits et les moyens moteurs comportent une sonde (WS) adaptée à être déplacée dans le puits jusqu'à un lieu de déclenchement, connectée à un générateur électrique d'excitation (3). 11) Dispositif selon l'une des revendications 2 à 10, caractérisé en ce que le tube est la paroi latérale d'une enceinte étanche (19), les moyens moteurs comprenant un bobinage disposé dans l'enceinte, le générateur électrique (3) étant disposé au moins partie à l'extérieur de l'enceinte (19). 12) Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que le générateur électrique comporte une batterie de condensateurs disposée dans une enceinte (13) au voisinage de la sonde (WS), alimentée par une source électrique (5) à distance de l'enceinte (13). 13) Dispositif selon l'une des revendications 2 à 12, caractérisé en ce que générateur électrique (3) est un générateur de choc adapté à fournir des impulsions de courant. 14) Dispositif selon l'une des revendications 2 à 12, caractérisé en ce que générateur électrique (3) est un générateur adapté à fournir des trains d'impulsions de courant de façon à générer des vibrations dans le milieu. 15) Dispositif selon la revendication 14, caractérisé en ce que le générateur électrique comporte un élément de pilotage fl 8) adapté ' engendrer un signal de commande à fréquence variable. 16) Application du dispositif selon l'une des revendications à 15, dans le cadre d'opérations d'exploration ou de surveillance sismique terrestre d'une zone souterraine, avec émission d'ondes dans les formations entourant le puits par déclenchement du générateur électrique (3), réception et enregistrement des ondes renvoyées par les discontinuités de la zone souterraine et traitement des enregistrements de manière à former des sismogrammes de la dite zone. 17) Application du dispositif selon l'une des revendications 2 à 15, dans le cadre d'opérations d'exploration ou de surveillance sismique marine d'une zone souterraine sous une masse d'eau, avec immersion de l'enceinte (19) depuis un véhicule ou une installation fixe (20), émission d'ondes dans la masse d'eau, par déclenchement du générateur électrique (3) réception et enregistrement des ondes renvoyées par les discontinuités de la zone souterraine, et traitement des enregistrements de manière à former des sismogrammes de la dite zone.