Brevet FR2805050A1 — publié le 20010817

La présente invention concerne une méthode et un dispositif de couplage d'hydrophones avec un milieu solide tel que le sous- Le dispositif selon l'invention trouve des applications notamment dans opérations d'exploration ou de surveillance sismique d'une formation souterraine. Etat de la technique est connu de surveiller les variations d'état à long terme d'un réservoir en cours de production qu'il s'agisse gisement d'hydrocarbures ou d'un réservoir destiné au stockage de gaz ou de substances diverses, etc, au moyen d'un système sismique comportant un source sismique impulsionnelle ou un vibrateur sismique pour émettre des ondes élastiques dans le sol et un dispositif de réception comportant des capteurs sismiques disposés en surface ou dans des puits et couplés avec les formations à surveiller, pour capter les ondes renvoyées par les discontinuités et les enregistrer, dans le but de former des sismogrammes représentatifs. A intervalles de temps définis, on réalise des investigations sismiques de façon à déterminer par comparaison modifications intervenues dans le réservoir, résultant de son exploitation. Comme capteurs sismiques, on utilise généralement des géophones couplés avec la formation, en surface ou dans des puits. Les géophones peuvent être descendus dans les puits suspendus à un câble attachés à un tubing et plaqués fermement contre la paroi du puits par patins articulés des ressorts. Ils peuvent aussi être descendus dans puits fixés à l'extérieur d'un casing et noyés dans le ciment injecte dans l'espace annulaire entre lui et la paroi du puits. Les géophones peuvent encore être installés dans un puits foré à cet effet et rempli de ciment. Il est connu également d'utiliser des hydrophones sont couplés avec les formations par l'intermédiaire des fluides remplissant les puits. Différents systèmes de surveillance sismique à long terme sont décrits par exemple dans les brevets EP 591 037 5 461 594), FR 2 593 292 (US 4 775 009), FR 2 728 973 (US 5 724 311), FR 2 775 349. US 4 534 020. L'utilisation combinée d'un géophone 1 et d'un hydrophone 2 en un meure point présente des avantages importants quand il s'agit de séparer des ondes sismiques 3, 4 se propageant le long d'une même direction mais en sens inverse les unes des autres. (Fig.l). En effet le géophone 1 mesure la projection sur l'axe du géophone, du vecteur vitesse des particules du milieu exploré sous l'effet des ondes, et l'hydrophone 2 la pression. Dans un milieu homogène 5 où la vitesse de propagation est constante, ces deux grandeurs sont liées par la relation P = F, z V/cosoc, où P est la pression, z, l'impédance sismique du milieu, F-, un coefficient égal à +1 ou -1, selon le sens de propagation de l'onde, V, la vitesse de la particule sur un axe parallèle à sa direction de propagation, et cc, l'angle entre l'axe du géophone et la direction de propagation. C'est le cas dans les opérations classiques de Prospection Sismique Verticale (PSV), où les capteurs installés le long d'un puits détectent à la fois des ondes descendantes et des ondes montantes, et il est connu qu'en utilisant des couples de géophones et des hydrophones positionnés à distance les uns des autres le long d'un puits, on peut séparer simplement les ondes des deux types par une combinaison linéaire des mesures de vitesse et pression et: Des, = P - zV/cosCC Mont = P + zV/cosa Les sismogrammes des Fig.2A, 2B correspondent à des données enregistrées dans un puits vertical respectivement par un géophone (données de vitesse V) et un hydrophone (données de pression P). Les sismogrammes des Fig.2C, 2D correspondent respectivement à la différence (P-V) et à la somme (P+V). Alors que les données V et P comportent toutes deux des ondes montantes (M) et des ondes descendantes (D), leur différence ne comporte plus que des ondes descendantes (Fig.2C) et leur somme des ondes montantes (Fig.2D). La mise en pratique de cette discrimination des ondes heurte à la difficulté de couplage de l'hydrophone au milieu. le cas de mesures en puits, le couplage de l'hydrophone avec les formations 'obtient par l'intermédiaire de la boue remplissant le puits, ce qui se révèle très gênant car il est exposé directement aux ondes dites de boue dont l'amplitude est le plus souvent considérablement supérieure à celle des ondes se propageant dans le milieu et que l'on cherche observer. La méthode et le dispositif selon l'invention La méthode et le dispositif selon l'invention permettent de coupler très efficacement des hydrophones avec un milieu tel qu' formation souterraine exemple, en évitant notamment les effets parasites liés dans les applications à la sismique de puits, à leur immersion directe dans de la boue. La methode selon l'invention est caractérisée en ce que l'on immerge l'hydrophone dans une enveloppe close à paroi souple remplie de liquide et on couple étroitement la paroi souple avec le milieu. Ce couplage étroit peut être obtenu par enfouissement complet de l'enveloppe dans le milieu, par un matériau de remplissage peut être par exemple un matériau rapporté durcissable tel que du ciment analogue. couplage de l'enveloppe avec le milieu peut être réalisé entièrement par l'intermédiaire de ce matériau de remplissage. Suivant un mode de mise en oeuvre, l'enveloppe close contenant l'hydrophone est noyée dans le dit matériau de remplissage, dans l'intervalle entre puits et un tube de cuvelage ou casing placé dans ce puits. Le dispositif selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comporte une enveloppe close à paroi souple remplie de liquide dans laquelle au moins un hydrophone est immergé, et des moyens pour coupler étroitement la paroi souple avec le milieu. L'enveloppe comporte de préférence une traversée étanche pour un câble de liaison de l' hydrophone avec un appareil d'acquisition de signaux. Les moyens pour coupler étroitement la paroi souple avec le milieu comportent par exemple un matériau durcissable injecté dans une cavité autour de l'enveloppe. Présentation des figures D'autres caractéristiques et avantages de la méthode et du dispositif selon l'invention, apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'un exemple non limitatif de réalisation, en se référant aux dessins annexés où - la 1 illustre schématiquement les trajets suivis par des ondes élastiques se propageant dans une formation souterraine et reçues par des couplés avec cette formation ; - les 2A-2D montrent des exemples de sismogrammes formés à partir de signaux reçus respectivement par des capteurs de vitesse ou géophones (Fig.2A), par des capteurs de pression hydrophones (Fig.2B), par soustraction de signaux de vitesse et de pression (Fig.2C) et par sommation de ces mêmes signaux (Fig.2D) ; et - la Fig.3 montre un exemple de réalisation du dispositif. Description détaillée La méthode utilisée ici pour coupler un hydrophone avec un milieu solide tel que le sous-sol, consiste essentiellement à immerger l'hydrophone dans une enveloppe close à paroi souple 7 remplie entièrement de liquide 8 que l'on couple étroitement avec le milieu. Cette enveloppe ou poche 7 comporte une ouverture par laquelle on introduit ou plusieurs hydrophones 2 et le liquide de remplissage 8. Un bouchon étanche 9 tel qu'un presse-étoupe par exemple, isole l'intérieur de l'enveloppe 7. Le bouchon 9 est pourvu d'une traversée 6 étanche au liquide pour un câble électrique 10 de liaison du ou des hydrophones à un appareil E d'acquisition de signaux extérieurs, disposé en surface par exemple. dispositif peut être couplé avec le milieu 5 en comblant l'espace 6 où l'on a placé l'enveloppe 7. De préférence, on couple l'enveloppe 7 avec le milieu 5 en coulant autour d'elle un matériau solide 11 qui peut être soit remblai soit un matériau rapporté durcissable tel que du ciment par exemple. La poche 7 doit être suffisamment petite pour pouvoir être introduite dans l'espace prévu pour elle et suffisamment grande pour que la partie active de l'hydrophone soit entièrement au contact du liquide. Les sismogrammes de la Fig.2B sont obtenus à l'aide d'un tel dispositif. L'espace 6 où l'enveloppe 7 est placée, peut être un trou ou puits destiné uniquement pour l'installation de capteurs ou bien éventuellement espace annulaire autour d'un tube descendu dans puits (un tube de cuvelage par exemple) et servant à l'exploitation d'un gisement ou réservoir souterrain (opérations de transfert de fluides entre la surface et le fond). L'enfouissement de l'enveloppe dans le sol le matériau de remplissage et notamment par le biais de ciment, permet d'obtenir un couplage étroit de l'hydrophone avec la formation sans l'exposer directement aux puissantes ondes de tube parcourant fluides dans les puits. Le dispositif permet d'enfouir les hydrophones ' distance de la surface et ainsi de les rendre pratiquement insensibles aux bruits de surface. REVENDICATIONS 1) Méthode pour coupler un hydrophone avec un milieu solide (5), caractérisée en ce que l'on immerge l'hydrophone (1) dans une enveloppe close ' paroi souple (7) remplie de fluide (8) et on couple étroitement la paroi souple avec le milieu. Méthode selon la revendication 1, caractérisée en ce que enfouit complètement dans le milieu l'enveloppe close (7) contenant l' hydrophone. Méthode selon la revendication 2, caractérisée en ce que enfouit l'enveloppe close contenant l'hydrophone en la plaçant dans cavité (6) ménagée dans le milieu (5), que l'on comble au moins en partie avec un matériau durcissable tel que du ciment. Méthode selon la revendication 3, caractérisée en ce que le couplage de l'enveloppe (7) avec le milieu est réalisé entièrement par l'intermédiaire du matériau. Méthode selon la revendication 3 ou 4, caractérisée en ce que l'enveloppe close (7) contenant l'hydrophone (2) est noyée dans le dit matériau dans l'intervalle entre un puits et un tube de cuvelage ou casing placé dans ce puits. 6) Dispositif pour coupler des hydrophones (2) avec un milieu solide (5) tel que le sous-sol, caractérisé en ce qu'il comporte une enveloppe close à paroi souple (7) remplie de liquide (8) dans laquelle au moins un hydrophone est immergé, et des moyens pour coupler étroitement la paroi souple avec le milieu. 7) Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'enveloppe comporte un bouchon étanche (9) pourvu d'une traversée étanche pour câble (10) de liaison de l'hydrophone avec un appareil d'acquisition de signaux (E). 8) Dispositif selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que les moyens pour coupler étroitement la paroi souple de l'enveloppe (7) avec le milieu comportent un matériau durcissable (11) injecté dans une cavité (6) autour de l'enveloppe.