Brevet FR2822549A1 — publié le 20020927

Procédé pour réaliser des prospections sismiques utilisant des sources sismiques déployées au moyen d'un aéronef La présente invention concerne la prospection géophysique. Plus particulièrement, cette invention concerne un nouveau procédé de génération d'un signal sismique. La sismique réflexion est une technique bien connue pour la recherche de gisements souterrains de pétrole et de gaz, aussi bien dans des environnements sur terre que marins. Une source sismique est utilisée pour générer des ondes acoustiques, normalement à la surface de la terre ou à proximité de celle-ci, et ces ondes se déplacent vers le bas dans le sous-sol terrestre. Une partie de l'énergie des ondes sismiques est réfléchie ou réfractée par les interfaces souterraines entre couches de terre ayant différentes vitesses acoustiques, et cette énergie réfléchie ou réfractée est ensuite détectée par des capteurs qui sont normalement déployés à la surface de la terre. Les signaux détectés sont normalement enregistrés en vue d'un traitement ultérieur. On détermine le temps de trajet du signal sismique depuis l'emplacement de la source sismique jusqu'aux diverses interfaces du sous-sol, puis ce temps de trajet ainsi qu'un profil de vitesses du sous-sol terrestre sont utilisés pour déterminer l'emplacement souterrain de ces interfaces réfléchissantes. Le profil de vitesses peut être déterminé à partir des données sismiques ou bien il peut avoir été prédéterminé. Les interfaces acoustiquement réfléchissantes du sous-sol correspondent souvent à l'emplacement d'un gisement de pétrole ou de gaz. Une grande variété de sources sont utilisées, y compris la dynamite, les sources d'impact mécanique et les sources de vibrations sismiques. On connaît une grande variété de sources d'impact, parmi lesquelles on peut citer, de manière non limitative, celles décrites dans les brevets US 4 124 090, 4 421 198 et 4 011 924. L'art antérieur indique certaines utilisations des aéronefs dans la prospection géophysique. On sait, par exemple, réaliser des études électromagnétiques et gravimétriques à l'aide d'un aéronef en vol transportant des instruments de détection électromagnétique et gravimétrique. Il a également été proposé, dans le brevet US 3 704 764, de transporter des capteurs sismiques jusqu'à un site d'étude au moyen d'un aéronef et de lâcher ces capteurs à la surface de la terre pendant que l'aéronef survole le site d'étude. il existe de longue date un besoin pour un système de prospection sismique qui réduise l'impact sur les zones sensibles au niveau environnemental, comme la région arctique et les zones de transition terre-mer. Il existe également des régions, telles que les zones de transition terre-mer et les régions montagneuses, qui sont difficiles à traverser avec un véhicule de transport. En conséquence, un objet de la présente invention consiste à permettre la génération d'un signal sismique sans nécessiter le transport en surface des moyens servant à créer le signal sismique jusqu'à l'emplacement où le signal doit être généré. Dans un mode de réalisation de l'invention, un signal sismique est généré au niveau d'un site d'étude en laissant tomber une masse depuis un aéronef en vol de façon que la masse touche la surface de la terre au niveau du site d'étude. Des capteurs sismiques sont déployés dans le site d'étude pour détecter les signaux sismiques résultant de l'impact de la masse à la surface de la terre. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée suivante d'un mode de réalisation préféré, faite en référence aux dessins d'accompagnement dans lesquels : la figure 1 montre une disposition de système utile pour mettre en oeuvre l'invention ; la figure 2 montre la forme d'une masse unitaire qui est utile pour mettre en oeuvre l'invention ; la figure 3 montre la variation d'énergie imprimée à la terre en fonction de la variation d'altitude à laquelle un objet est largué ; la figure 4 montre schématiquement l'utilisation de la présente invention pour exécuter une étude par réalisation d'un profil sis- mique vertical. La figure 1 montre une vue en plan d'une partie d'un site d'étude selon un mode de réalisation de l'invention. Comme montré en figure 1, plusieurs lignes 12 de stations réceptrices sismiques 10 sont déployées dans la surface d'étude. Chaque station réceptrice 10 est du type conventionnel pour recevoir l'énergie sismique souhaitée, et à ce titre, elle peut être constituée d'un seul récepteur, mais elle peut de préférence comprendre plusieurs récepteurs. Plusieurs récepteurs associés à une station réceptrice 10 peuvent être situés près du même point, mais chaque station réceptrice peut aussi comporter plusieurs récepteurs dispersés en réseau, mais interconnectés pour générer un signal composite. Les types de récepteurs inclus dans les stations réceptrices 10 vont être déterminés en fonction du type d'énergie sismique à détecter. Des récepteurs conventionnels utiles dans ce mode de réalisation peuvent être par exemple des géophones conventionnels, qui détectent l'énergie sous forme de vitesse. Les géophones conventionnels peuvent être configurés pour détecter une énergie de cisaillement de compression horizontal ou de cisaillement vertical. En outre, une seule installation formant géophone peut comprendre plusieurs géophones pour détecter l'énergie dans chacune des trois directions orthogonales. En variante, pour les récepteurs déployés sous l'eau, les stations réceptrices 10 peuvent être des hydrophones conventionnels. Comme cela est bien connu, les hydrophones détectent l'énergie sismique transmise sous forme de pression, sans indication de direction. Pour les détecteurs sous-marins, des combinaisons d'hydrophones et de géophones pour chaque station réceptrice 10 peuvent être souhaitables, puisque les informations de direction détectées par les géophones peuvent être utilisées pour défantômer les informations de pression détectées par les hydrophones. Comme illustré en figure 1, les stations réceptrices 10 sont déployées en lignes multiples 12 qui peuvent être sensiblement paral- lèles les unes aux autres dans la surface d'étude. Dans cet exemple, chaque ligne 12 comprend plusieurs stations réceptrices 10, ainsi que des équipements de télémétrie conventionnelle appropriés pour la communication des signaux électriques correspondant à l'énergie sismique détectée. L'intervalle n entre lignes réceptrices 12, typiquement, est compris entre 50 mètres et 2000 mètres. A titre d'exemple, dans le système décrit ici, on supposera que la distance entre les lignes de récepteurs est de mille mètres. Chaque ligne 12 comprend un certain nombre de stations réceptrices 10, et l'intervalle entre stations réceptrices à l'intérieur d'une ligne d'étude peut typiquement être de 50 mètres, bien que cet intervalle puisse varier de manière substantielle, en fonction des différents besoins d'étude. La longueur m typique de chaque ligne de détecteurs peut être de 6000 mètres, mais celle-ci est aussi sujette à des variations substantielles, dépendant des contraintes géographiques, des objectifs de l'étude et autres considérations logistiques. Le nombre de lignes 12 de récepteurs déployées pour une étude particulière peut varier, mais huit lignes de récepteurs est un nombre typique. Les capteurs sismiques compris dans chaque ligne 12 de récepteurs sont typiquement inclus dans un câble que l'on déroule pour mettre en place la ligne de récepteurs. Cependant, les stations réceptrices peuvent être positionnées chacune individuellement au niveau des emplacements de réception. Les signaux détectés par les récepteurs sismiques sont normalement enregistrés en vue d'un traitement ultérieur. Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, les signaux détectés sont transmis le long de canaux de communication 15 qui s'étendent sur toute la longueur des lignes 12 de récepteurs pour être envoyés à un système central de commande et d'enregistrement 14. Les milieux de transmission utiles pour transmettre les signaux détectés comprennent, sans limitation, les conducteurs électriques, les câbles à fibres optiques et les ondes radio. Les signaux correspondant à l'énergie détectée par les stations réceptrices 10 sont transmis au système central de commande et d'enregistrement 14 afin d'y être stockés de manière conventionnelle, et de subir une analyse conventionnelle telle qu'une correction de courbure, un regroupement à point-milieu commun, des corrections statiques, des migrations et analyses similaires. Il a également été pro- posé, dans l'art antérieur, d'incorporer un système d'enregistrement à chaque station réceptrice. L'invention décrite ici est particulièrement utile dans les zones sensibles au niveau de l'environnement, comme la région arctique et les zones de transition terre-mer, où le trafic par véhicule, surtout les véhicules lourds requis pour transporter les sources de vibrations, est potentiellement néfaste pour l'environnement. Pour la mise en oeuvre de la présente invention, on utilise un avion 16, qui dans un mode de réalisation préféré pourrait être un avion à voilure fixe tel qu'un Skyvan, qui était fabriqué par Shorts Aircraft, ou un C-130, fabriqué par Lockheed Martin, pour transporter une masse unitaire au-dessus du site d'étude, et pendant que l'avion vole au-dessus du site d'étude, on largue la masse unitaire depuis l'avion. Un avion qui a été adapté pour transporter des parachutistes peut être particulièrement utile pour mettre en oeuvre la présente invention. Un autre aéronef, comme par exemple un autre avion à voilure fixe, un hélicoptère ou un dirigeable pourraient également être utilisés et tous ces moyens de distribution sont dans la portée de l'invention. Normalement, on charge plusieurs de ces masses unitaires à bord de l'aéronef, et ces masses unitaires sont larguées depuis l'aéronef en certaines positions aériennes de façon que les masses unitaires touchent la surface de la terre sensiblement en des emplacements choisis du site d'étude. L'impact des masses unitaires à la surface de la terre crée des ondes de choc sismiques qui se déplacent à travers la terre suivant des fronts d'onde sensiblement sphériques. L'amplitude de l'énergie sismique créée au moment où les masses unitaires heurtent le sol augmente en fonction de la vitesse d'impact, et pour cette raison il est souhaitable de donner aux masses unitaires 22 une forme cylindrique fuselée, telle que celle montrée en figure 2, afin de maximiser la vitesse d'impact. Les masses unitaires 22 peuvent aussi comprendre des ailettes 23 attachées à une extrémité des masses unitaires pour accroître la stabilité des masses unitaires 22 pendant leur chute vers la surface de la terre. Des poignées peuvent aussi être ajoutées aux masses unitaires pour que celles-ci soient plus faciles à manipuler. Dans un mode de réalisation préféré, le trajet de vol de l'aéronef traversant le site d'étude peut être parallèle à la direction des lignes de récepteurs. D'autres trajets de vol, tels que des trajets de vol qui sont transversaux, ou en diagonale par rapport aux lignes de récepteurs sont aussi dans la portée de la présente invention. Des trajets de vol représentatifs, désignés par les références 18 et 19, sont montrés en figure 1. Bien que l'aéronef spécifique choisi pour mettre en pratique l'invention affecte la vitesse à laquelle vole l'aéronef en traversant le site d'étude, un avion à voilure fixe peut typiquement être piloté à des vitesses au sol comprises dans la plage allant de 150 à 500 kilomètres/heure. L'intervalle entre les emplacements auxquels on souhaite générer un signal sismique peut varier, en fonction des besoins de l'étude, mais si les masses unitaires sont larguées depuis un aéronef volant à 300 kilomètres par heure à des intervalles de six secondes, la distance entre les emplacements 20 de source sismique où les masses unitaires heurtent la surface de la terre sera d'environ 500 mètres. Les emplacements de source désignés par la référence 20 en figure 1 sont destinés à être représentatifs, et ne sont montrés qu'à titre d'exemple. Les emplacements des sources par rapport aux lignes de récepteurs et aux stations réceptrices peuvent être choisis pour satisfaire aux besoins d'une étude particulière en fonction de critères connus de personnes ayant une connaissance ordinaire du métier. L'invention permet également de placer les sources selon des dessins efficaces choisis pour une étude spécifique dans le but de réduire les artefacts de rayon d'action d'acquisition. Après qu'un signal sismique est généré, il est nécessaire d'attendre pendant un"temps d'écoute"que le signal descende dans le sous-sol où il est réfléchi par les interfaces du sous-sol puis remonte à la surface de la terre où il est détecté par un récepteur. Le temps d'écoute nécessaire peut varier en fonction de la vitesse acoustique du sous-sol et des besoins particuliers de l'étude, mais un temps d'écoute de cinq secondes ou plus serait typique. Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, les masses unitaires qui sont larguées depuis l'aéronef 16 pour générer le signal sismique peuvent être des balles de béton ou des balles de glace auxquelles on peut donner une forme cylindrique fuselée comme mon- tré en figure 2, et portant la référence 22. Les autres matériaux pouvant être utilisés pour former les masses unitaires comprennent, de manière non limitative, des ballons remplis d'eau. Ces ballons sont normalement formés à partir d'un matériau élastomère, et ces ballons remplis d'eau peuvent être spécialement utiles à la mise en oeuvre de l'invention en raison de leur tendance à prendre d'eux-mêmes une forme fuselée lorsqu'ils tombent dans l'atmosphère, ce qui se traduit par une maximisation de la vitesse d'impact et de l'amplitude du signal sismique obtenu. Les masses unitaires peuvent aussi comprendre des engins explosifs, qui peuvent être des explosifs plastiques du type typiquement utilisé dans l'industrie de la prospection géophysique. On prévoit que du personnel à bord de l'aéronef largue les masses unitaires depuis l'aéronef à des intervalles de temps périodiques qui sont choisis de façon que les masses unitaires touchent la surface de la terre pour générer des ondes de choc sismiques substantiellement en des emplacements prédéterminés. Ce personnel doit normalement porter un harnais de sécurité attaché à l'intérieur de l'aéronef pour des raisons de sécurité. On prévoit également qu'un grand réservoir d'eau puisse être transporté à bord de l'aéronef et que du matériel du type typiquement utilisé dans l'industrie de la mise en bouteille puisse être utilisé pour remplir des ballons en élastomère à bord de l'aéronef, à volonté, et qu'un appareil typiquement utilisé par l'industrie de la défense pour larguer mécaniquement des engins depuis un aéronef pourrait être utilisé pour lâcher les ballons remplis d'eau ou autres masses unitaires depuis l'aéronef en vol. Les objets largués depuis un aéronef voient leur vitesse augmenter rapidement au cours de leur chute vers la terre. Puisque l'énergie d'impact d'un objet en chute libre heurtant la terre est proportionnelle au carré de la vitesse, l'énergie d'un objet largué croît elle aussi rapidement au cours de la chute de l'objet vers la surface de la terre. La figure 3 montre l'énergie d'impact, en fonction de l'altitude de largage, d'une masse unitaire cylindrique fuselée de trente kilogrammes ayant un coefficient de traînée de 0,7 et un diamètre de 0,21 mètre sous condition d'atmosphère normale. Comme montré en figure 3, l'accroissement de l'énergie d'impact est très faible en larguant une masse à des altitudes de vol supérieures à 4000 mètres environ audessus de la surface de la terre, car le frottement de l'air limite tout accroissement de vitesse de l'objet en chute libre. A une altitude de largage d'environ 2000 mètres (par rapport à la surface terrestre au niveau de la mer), une masse cylindrique fuselée de trente kilogrammes va générer une énergie d'environ 262 kilojoule au moment de l'impact. Cette énergie est à peu près égale à douze fois l'énergie produite en lâchant un poids de 909 kilogrammes (2000 livres) depuis une hauteur de 2,438 mètres (huit pieds), qui est une configuration pratique pour les sources sismiques à lâcher de poids déployées à la surface de la terre. Le traitement des données sismiques enregistrées détectées par les capteurs sismiques 10 pour déterminer l'emplacement d'interfaces réfléchissantes du sous-sol et d'autres attributs du sous-sol, nécessite de connaître les emplacements des capteurs sismiques 10 et les emplacements 20 des sources. Les capteurs sismiques sont normalement placés à la main sur le sol et leurs emplacements peuvent être déterminés avec précision. En raison de la difficulté que présente le pilotage d'un aéronef jusqu'à un point de largage précis, et des courants aériens variables qui peuvent faire dériver la masse larguée, il peut être difficile de contrôler avec une grande précision l'emplacement auquel la masse unitaire larguée va toucher la surface de la terre. Les signaux sismiques se transmettent à partir des emplacements 20 d'impact le long de la surface de la terre ainsi que dans le sous-sol, et le temps de réception du signal de"première arrivée" détecté par au moins trois des stations 10 de capteurs à la surface de la terre peut être utilisé pour déterminer, à l'aide de méthodes de triangulation, l'instant et l'emplacement de l'impact d'une masse unitaire à la surface de la terre après largage de la masse unitaire depuis un aéronef. Les méthodes de triangulation sont couramment utilisées dans les opérations sismiques en zones marines et de transition pour déterminer les emplacements des capteurs sismiques, et ces méthodes sont bien connues des personnes ayant une connaissance ordinaire du métier. D'autres méthodes peuvent aussi être utilisées pour déterminer l'emplacement précis de l'impact, parmi lesquelles on peut citer, de manière non limitative, les repérages visuels et la détection de signaux électromagnétiques produits par l'impact de la masse à la surface de la terre. Le mode de réalisation qui précède a été décrit en termes d'étude sismique de surface dans laquelle les capteurs sismiques sont déployés substantiellement à la surface de la terre. Toutefois, la présente invention peut aussi être employée pour réaliser des études par réalisation d'un profil sismique vertical, dans lesquelles les capteurs sismiques sont déployés à l'intérieur d'un puits foré dans la surface terrestre. La figure 4 montre des stations réceptrices 10A déployées au moyen d'un câble métallique 30 à l'intérieur d'un puits 32 qui a été foré dans le sous-sol terrestre. On fait voler un aéronef 16 au-dessus du site d'étude pour lui faire larguer des masses unitaires 22 sur la surface terrestre 34. Le signal sismique obtenu se déplace depuis l'emplacement 20A d'impact le long de rayons sismiques, tels que le rayon d'arrivée direct 38, et le rayon 36 qui est réfléchi par une interface réfléchissante 40 du sous-sol, et ces signaux atteignent l'emplacement des stations réceptrices 10A placées dans le puits. Les signaux détectés par les capteurs 10A sont transmis par le câble métallique 30 jusqu'à la surface de la terre, où ils sont enregistrés par un système central d'enregistrement et de commande 14A. Des capteurs 28 peuvent aussi être déployés à la surface de la terre, et le signal de "première arrivée"détecté par ces capteurs de surface peut être utilisé pour déterminer avec précision, par des méthodes de triangulation connues des personnes ayant une connaissance ordinaire du métier, l'instant et l'emplacement de l'impact de la masse unitaire 22 à la surface de la terre. On peut aussi utiliser des récepteurs GPS (système de positionnement par satellite) pour guider l'aéronef jusqu'à des positions de largage qui ont été corrigées pour tenir compte des conditions atmosphériques, de façon que les emplacements d'impact des masses unitaires à la surface de la terre puissent être contrôlés avec plus de précision. Diverses modifications peuvent être apportées à la présente invention sans s'écarter de la portée de l'invention. REVENDICATIONS 1. Procédé pour réaliser des prospections sismiques, caracté- risé en ce qu'il comprend les étapes consistant à : déployer des capteurs sismiques (10) sur un site d'étude sismique ; générer des signaux sismiques dans ledit site d'étude en larguant une masse (22) sur ledit site d'étude à partir d'un aéronef (16) en vol ; détecter à l'aide desdits capteurs sismiques (10) les signaux sismiques résultant de l'impact de ladite masse (22) à la surface de la terre. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit aéronef (16) est un avion à voilure fixe. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit aéronef (16) est un hélicoptère. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit aéronef (16) est un dirigeable. 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite masse (22) est un volume de béton de forme cylindrique fuselée. 6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite masse (22) est un volume de glace. 7. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite masse (22) est un ballon en élastomère rempli d'eau. 8. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite masse (22) est un engin explosif. 9. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite étude est une étude sismique en surface. 10. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite étude est une étude par réalisation d'un profil sismique vertical. 11. Procédé pour réaliser des prospections sismiques, caractérisé en ce qu'il comprend le fait de larguer une masse (22) depuis un aéronef (16) en vol sur un site d'étude sismique où des capteurs sismiques ont été déployés afin de produire un signal sismique lorsque ladite masse (22) touche la surface de la terre. 12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que ledit aéronef (16) est un avion à voilure fixe. 13. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que ledit aéronef (16) est un hélicoptère. 14. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que ledit aéronef (16) est un dirigeable. 15. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que ladite masse (22) est un volume de béton. 16. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que ladite masse (22) est un volume de glace. 17. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que ladite masse (22) est un ballon rempli d'eau. 18. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que ladite masse (22) est un engin explosif. 19. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que ladite étude est une étude sismique en surface. 20. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que ladite étude est une étude par réalisation d'un profil sismique vertical.