Brevet FR2884323A1 — publié le 20061013

PROCEDE D'ACQUISITION SISMIQUE AU FOND DE LA MER, EQUIPEMENT DE GUIDAGE, ENSEMBLE D'ACQUISITION SISMIQUE ET INSTALLATION D'ACQUISITION SISMIQUE POUR LA MISE EN OEUVRE DE CE PROCEDE L'invention concerne l'acquisition de données sismiques au fond de la mer, et.plus particulièrement le déploiement et la récupération d'équipements dotés de capteurs sismiques devant être déposés sur le fond marin selon une géométrie précise. io Différentes techniques ont été proposées pour déposer sur le fond marin des équipements autonomes dotés de capteurs sismiques selon une géométrie déterminée, tel qu'un maillage régulier. Une première méthode consiste à lancer successivement de tels équipements depuis la plage arrière d'un navire, en se basant sur la position du navire au moment du largage. Cette méthode est très imprécise et n'est envisageable que par petits fonds. Elle ne permet pas le guidage dudit équipement vers un point de coordonnées connues situé au fond de la mer. Une deuxième méthode consiste à utiliser un bateau doté d'une grue et d'un équipement de positionnement acoustique dit "Base courte". L'équipement à déposer au fond de la mer est accroché au câble de la grue, et l'on fixe au crochet une balise acoustique compatible avec la "Base courte". L'équipement est dans un premier temps localisé, grâce à la "Base Courte", dans un repère lié aux axes du navire. Le passage du repère local navire au repère absolu géographique, nécessaire pour guider le colis vers son point objectif, se fait par la connaissance du cap, du roulis, du tangage, et de la latitude et longitude du navire délivrés par une centrale d'attitude et un dispositif de radiolocalisation. Cette méthode n'est applicable que par petits fonds, et prend un temps considérable compte tenu de l'aller-retour du crochet de grue, fond- surface, qu'il convient d'effectuer pour chaque nouvel équipement. De plus, la précision de localisation du système "Base Courte", qui se dégrade rapidement avec la profondeur, n'est plus compatible avec les objectifs requis par les équipements de mesure. Une autre proposition est décrite dans la demande de brevet européen EP 1. 217.390 et le brevet FR 2.833.359. Cette proposition prévoit de déployer les équipements de mesure par gravité et de déterminer a posteriori leurs positions par utilisation d'un équipement de localisation "Base Courte" situé à bord du navire ou par déploiement de bouées-relais GPS-Acoustique. De telles bouées-relais sont décrites par exemple dans le io brevet FR 2. 643.463. Cette méthode ne permet pas un guidage avec la précision requise de l'équipement de mesure vers un point de coordonnées géographiques déterminées. Une variante est décrite dans le brevet US 6 657 921 où l'on associe à chaque équipement un carénage hydrodynamique et un moyen de contrôle de l'attitude de l'équipement de mesure une fois le contact établi avec le fond marin. Dans ce cas, les matériels sont déployés liés les uns aux autres par un câble à l'extrémité duquel est attachée une ancre. Le positionnement transversalement à la direction de pose est effectué par le déplacement transversal du navire afin de contrebalancer un éventuel courant. Une autre variante est décrite dans le brevet US 5 579 285. Elle ne permet que difficilement le guidage simultané de plusieurs engins sous- marins. La présence de bouées dérivantes n'est pas compatible avec des opérations de longue durée. En effet, les courants marins éloignent trop rapidement les bouées de la zone de travail. Une troisième méthode consiste à mettre en place les équipements à l'aide d'un engin filoguidé de type ROV. Le positionnement du ROV est assuré soit par une "Base Longue" déployée sur le fond, soit par une "Base Courte" installée à bord du navire support. L'ombilical qui relie le ROV à la surface en limite les déplacements horizontaux. De ce fait, les opérations sont longues et onéreuses. L'invention a pour objectif un procédé pour la mise en place sur le fond marin d'équipements d'acquisition sismique selon une géométrie prédéterminée et pour leur récupération, un tel procédé devant être rapide et peu coûteux et convenir pour la mise en place d'un grand nombre 5 d'équipements. L'invention a pour objet un procédé d'acquisition de données sismiques en une pluralité de positions réparties sur une zone du fond de la mer, caractérisé par le fait qu'il comprend les étapes suivantes: - on émet des ondes acoustiques dans la tranche d'eau au-dessus de ladite io zone au moyen d'une pluralité de sources, - pour chacune des dites positions d'acquisition, on largue de la surface un ensemble d'acquisition sismique, ledit ensemble comprenant une unité d'acquisition sismique et un équipement de guidage autonome apte à recevoir pendant sa descente les émissions des dites sources, et on commande sa trajectoire en fonction des ondes reçues de façon à acheminer ledit ensemble vers ladite position, on réalise l'acquisition sismique, - on déclenche la remontée des ensembles d'acquisition vers la surface, - on récupère les ensembles d'acquisition en surface. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques apparaîtront à l'aide de la description qui suit, faite en référence aux figures annexées. La figure 1 représente une vue d'ensemble des équipements à mettre en place sur le fond marin pour l'exploration sismique d'une zone du soussol. La figure 2 est une vue présentant le déploiement simultané de deux 25 équipements d'acquisition sismique. La figure 3 représente la phase ascensionnelle des équipements en vue de leur récupération. La figure 4 est une vue synoptique d'une balise acoustique émettrice. La figure 5 est une vue synoptique d'un équipement d'acquisition sismique. La figure 6 est une vue synoptique d'un ensemble d'acquisition incluant un équipement de guidage autonome. Dans l'exemple de réalisation représenté, un dispositif de déploiement et de récupération d'équipements autonomes d'acquisition sismique sousmarine est constitué d'un navire support 5 à partir duquel sont déployés: des balises acoustiques émettrices 3 et lesdits équipements d'acquisition sismique 7. Le navire 5 dispose d'un poste de contrôle et de supervision io des opérations. Le navire 5 peut être complété le cas échéant par un engin libre sous-marin 29 (figure 2) capable de déterminer avec précision les positions respectives des équipements au fond de la mer, et de communiquer avec eux pour le recalage d'horloge et/ou le transfert de données. Le dispositif peut également être complété par des bouées-relais acoustique-GPS 11 (figure 3) qui sont munies de moyens pour la communication, aussi bien avec des équipements lorsqu'ils sont au fond de la mer (tels que les balises acoustiques 3) qu'avec des équipements situés en surface (navire 5 ou balises ou équipements d'acquisition après leur remontée). Ces bouées GPS sont notamment utiles pour localiser les équipements remontés en surface et ainsi accélérer leur récupération. Selon un mode de réalisation, le navire 5 est doté d'un équipement de radionavigation 6, tel qu'un récepteur GPS fonctionnant en mode différentiel, et d'un moyen cartographique de suivi et de contrôle de sa trajectoire selon des routes prédéterminées 4, tel qu'un calculateur portable doté d'un écran graphique couleur. II est à noter que le navire 5 peut être un navire de petite taille et qu'il ne nécessite pas la fonction de positionnement dynamique "DP", selon le terme en usage. Les balises acoustiques émettrices 3 sont constituées d'un transducteur piézo-électrique 30 activé par une électronique de puissance 31, laquelle est pilotée par des circuits logiques de séquencement 33 selon des séquences préalablement stockées dans une mémoire 34 par utilisation d'une interface de test et de configuration 39. Une horloge de précision 35, de type Quartz thermostaté ou contrôlé par microprocesseur de type MCXO est utilisée pour émettre les trains d'impulsions ultrasonores à des instants parfaitement connus dans un référentiel temporel absolu. Une liaison de synchronisation 40 sert à caler l'horloge en surface, avant son immersion, sur ledit référentiel temporel absolu, qui peut, à titre d'exemple, être le référentiel temporel partagé par les satellites GPS. Un capteur de Io pression 36 permet, par voie de télémétrie acoustique en utilisant le transducteur 30, de communiquer au bateau l'immersion de la balise pendant sa phase de descente ou de remontée, et une fois stabilisée sur le fond. Un canal de réception de télécommande acoustique 32 peut être utilisé à cet effet ou pour activer un moyen 42 permettant de libérer la balise de son lest en vue de sa remontée vers la surface. Une source d'énergie électrique 41 alimente, via un dispositif de gestion de l'énergie 37, les différents sous-ensembles de la balise acoustique sous-marine. On remarquera sur la figure 4 les électrodes 38 qui permettent de n'activer les émissions acoustiques que lorsque la balise est immergée. Afin de déterminer avec précision la position atteinte par chaque balise au fond de la mer, on peut effectuer une calibration par réception de ses signaux acoustiques sur un hydrophone positionné à la verticale sous le navire 5, ce dernier étant localisé par GPS et décrivant sensiblement un cercle autour de la position d'immersion. II est aussi possible d'utiliser une ou des bouées GPS 11 dotées d'un récepteur acoustique et disposées en stations. Alternativement, il est possible d'utiliser un engin sous-marin autonome 29, lequel engin étant en communication acoustique avec le navire 5 ou avec des bouées GPS 11, afin de déterminer sa propre position. Selon l'exemple de réalisation représenté par le synoptique de la figure 5, 30 un équipement d'acquisition sismique sous-marine 7 comprend: un transducteur 14 couplé à un récepteur acoustique 15, destinés à recevoir et à détecter les signaux acoustiques en provenance des balises sousmarines, une horloge de référence 19, préalablement synchronisée avant immersion par l'interface 43, servant à dater avec grande précision les instants d'arrivée desdits signaux acoustiques dans un référentiel temporel absolu, un calculateur embarqué 17 permettant le guidage des équipements selon la méthode décrite ci-après, une source d'énergie électrique 20 qui alimente les différents sous-ensembles de l'équipement sous-marin. La figure 5 représente aussi un capteur sismique 24 et un moyen d'identification 27 de l'équipement tel qu'un code barre ou une étiquette électronique à lecture sans contact. Le transducteur 14, via le récepteur acoustique 15, peut aussi servir à recevoir des ordres de télécommande ou à transmettre via un circuit d'émission 16 des télémesures. Ce dispositif reçoit notamment l'ordre de modification de la poussée d'Archimède en vue d'assurer la remontée en surface. Le circuit d'émission acoustique sert aussi à envoyer au navire support les coordonnées de l'équipement une fois stabilisé sur le fond marin. Une interface de communication sans fil 44 peut être prévue pour permettre à l'équipement un transfert de données avec un engin libre sous-marin qui viendrait, par exemple, collecter le contenu des enregistrements issus de son capteur de mesures 24. Pour assurer le guidage de l'équipement vers sa position-cible, l'on télécharge dans les mémoires 18 du calculateur 17, avant immersion, via l'interface de test et de configuration 23, les coordonnées tridimensionnelles des balises émettrices et leurs caractéristiques propres de fréquence, modulation et récurrence, ainsi que les coordonnées géographiques du point-cible 9. Connaissant les instants d'arrivée des signaux acoustiques en provenance des balises, le calculateur détermine les retards de propagation et, connaissant la célérité moyenne, en détermine les distances obliques. Ces distances obliques sont ensuite ramenées dans un plan horizontal, connaissant l'immersion de l'équipement telle que mesurée par le capteur de pression 22. Les coordonnées géographiques de l'équipement sont alors calculées dans le plan horizontal, par exemple par application de la méthode dite des moindres carrés. En théorie, il suffit des signaux provenant de deux sources différentes pour faire un calcul de position, mais on sait qu'en pratique il est préférable, si on veut réduire la marge d'erreur, d'utiliser les signaux de trois sources (ou plus). Une fois les coordonnées instantanées connues, le calculateur évalue l'écart à la trajectoire optimale 8. Un filtre de Kalman implémenté dans le calculateur génère alors io les consignes à appliquer aux actionneurs 25 en vue de corriger la trajectoire connaissant le cap et l'attitude de l'équipement tels que délivrés par la centrale de cap et d'attitude 26, notamment pour contrer un éventuel courant marin 10. La figure 6 montre schématiquement un exemple d'agencement de l'ensemble d'acquisition sismique. L'ensemble comprend une unité d'acquisition sismique formée dans l'exemple représenté d'un capteur sismique 60 destiné au couplage avec le fond marin, d'un ensemble enregistreur 61 et d'un bras de connexion 62 reliant le capteur 60 à l'ensemble enregistreur 61. L'unité d'acquisition sismique peut être telle que décrite dans la publication WO 2004/065988. L'équipement de guidage comprend un corps ou carénage 63 de profil hydrodynamique. Ce corps est creux et, comme il est classique, doté de trous, non représentés, qui permettent à l'équipement de se remplir d'eau lors de son largage et de descendre. Tel que représenté, le corps a une partie inférieure 64 de forme sensiblement hémisphérique. A cette partie 64 se raccorde une partie 65 de forme conique qui se rétrécit vers l'extrémité supérieure 66. L'ensemble enregistreur 61 est logé dans la partie hémisphérique 64 de même qu'une batterie 67. De façon appropriée, comme représenté à la figure 6, l'ensemble enregistreur 61 est logé à l'intérieur d'une structure étanche 74 résistant à la pression telle qu'une sphère en verre hyperbare elle-même reçue à l'intérieur de la partie hémisphérique 64. Ce type de composant est fourni par exemple par la société Benthos Inc. L'espace 71 entre la structure 74 et la paroi de la partie hémisphérique se remplit d'eau lors du largage, comme on l'a vu, cette eau servant de lest. Au voisinage de l'extrémité supérieure 66 du corps sont prévues des gouvernes 72. Dans l'exemple représenté à la figure 6, les gouvernes sont fixes. Le guidage vers la position-cible est obtenu en déplaçant transversalement la batterie 67 à l'intérieur de la structure 74, ce qui déplace le centre de gravité de l'équipement et modifie sa trajectoire io conformément à ce qui est souhaité. Ceci est réalisé au moyen d'un dispositif d'actionnement, de type classique en soi et non représenté. Une autre possibilité consiste à prévoir des gouvernes mobiles et des actionneurs agissant sur les gouvernes pour guider l'équipement vers la position-cible. Dans l'exemple représenté à la figure 6, aussi représenté par le repère 21 de la figure 5, il est également prévu un dispositif de ballastage 73 logé dans une structure étanche résistant à la pression 74 telle qu'une sphère en verre hyperbare. Ce dispositif peut comporter un volume d'huile que l'on peut déplacer, au moyen d'une micropompe hyperbare 75 avec micromoteur intégré, vers une structure gonflable située à l'extérieur de la sphère 74. Ceci chasse un volume équivalent d'eau à l'extérieur du corps 63 et abaisse la densité de l'ensemble pour lui permettre de ralentir sa vitesse de descente ou d'activer la remontée en surface. Le micromoteur est commandé en réponse à la détection de la proximité du fond à l'aide d'un écho-sondeur 69 ou par la réception d'un message acoustique en provenance du navire support 5. On a représenté schématiquement à la figure 6 un transducteur acoustique 76 correspondant au transducteur 14 de la figure 5 ainsi qu'un capteur GPS 77 et un émetteur radio 78 correspondant aux composants 28 de la figure 5. La mise en place des équipements d'acquisition sismique tels que décrits peut s'effectuer de la manière suivante. On fait référence ci-après aux figures 1 et 2. La figure 1 montre les équipements à mettre en place sur le fond marin pour l'exploration sismique d'une zone 1 du sous-sol. Il est prévu d'une part un réseau d'équipements d'acquisition 7 qui couvre la zone à explorer de façon appropriée pour l'obtention d'une image sismique. La figure 1 montre un réseau maillé 2 de 8 x 8 = 64 équipements d'acquisition mais il est clair io que, dans une application commerciale typique, le réseau comprend plusieurs centaines d'équipements d'acquisition sismique. D'autre part, il est prévu une série de balises acoustiques 3 servant à guider les équipements d'acquisition vers leur position-cible lors de leur descente. La figure 1 montre quatre balises disposées aux sommets d'un carré entourant le réseau des équipements 7, mais ceci n'est qu'un exemple donné à titre illustratif. Connaissant la géométrie du réseau d'acquisition 7, on détermine tout d'abord le nombre et les positions respectives désirées ("positionscibles") pour les balises acoustiques 3. Après avoir procédé en surface à la synchronisation de leurs horloges 35 sur le temps GPS par utilisation de la liaison de synchronisation 40, l'on met en place les balises 3 en les larguant de la surface à partir du navire 5 au voisinage d'un point situé à la verticale de la positioncible. On procède ensuite à la "calibration" des balises acoustiques, c'est-à-dire à la détermination précise de leur position géographique respective au fond de la mer. Cette opération est réalisée typiquement au moyen de bouées de type "GIB" dotées de moyens de réception des signaux acoustiques en provenance des balises situées au fond de la mer, d'un capteur GPS et d'un émetteur/récepteur radio transmettant leur position et les instants de détection desdits signaux acoustiques au poste de contrôle situé à bord du navire 5 en vue de leur traitement. Les balises 3 émettent normalement en permanence des séquences acoustiques comprenant un code d'identification. L'émission peut être déclenchée ou arrêtée par une instruction acoustique émise à partir du navire 5. Les balises peuvent ainsi être maintenues inactives, pour réduire la consommation d'énergie, jusqu'au commencement du largage des équipements d'acquisition. Chaque équipement d'acquisition 7 est ensuite doté des informations qui lui io permettront d'atteindre la position-cible qui lui est assignée. Pour cela, on charge sur le calculateur 17 de l'équipement de guidage correspondant, à bord du navire 5, les informations susvisées relatives aux balises émettrices et la position-cible 9 pour l'équipement d'acquisition 7. Pour le largage, on détermine la trajectoire optimale que doit suivre le navire 5 guidé par un système de radionavigation 6 pour minimiser la durée totale des opérations. La figure 1 montre une trajectoire en lacets où chaque lacet passe à mi-distance entre deux rangées adjacentes d'équipements 7. Ceci autorise le largage simultané de deux équipements 7 à partir d'un même point, donc un gain de temps substantiel. Pour chacun des équipements 7, la descente s'effectue vers la positioncible respective grâce à l'action autonome de l'équipement de guidage, de la façon expliquée plus haut. Le guidage se fait sans intervention ou contrôle à partir du navire 5. Des équipements en nombre quelconque peuvent ainsi descendre simultanément. Par conséquent, il n'existe pas d'intervalle de temps minimum à respecter entre deux largages, et ceux-ci peuvent se succéder aussi rapidement que le permet la vitesse du navire 5. On peut ainsi mettre en place un grand nombre d'équipements d'acquisition, par exemple plusieurs centaines, en un temps très court. Il est en outre à noter que l'utilisation de balises acoustiques fixes au fond de la mer assure une amélioration de la qualité de réception acoustique à mesure que l'équipement 7 se rapproche du fond. En effet, à mesure qu'il se rapproche du fond, les distances avec les balises acoustiques 3 diminuent et d'autre part, l'environnement est de moins en moins bruité. Des opérations de vérification et détermination des positions effectivement atteintes par les équipements d'acquisition 7 et de recalage des horloges embarquées dans ces équipements peuvent ensuite être effectuées au moyen d'un engin sous-marin autonome 29, comme indiqué plus haut. Pour cette opération, qui ne requiert pas de manipulation, un engin lourd type io ROV n'est pas nécessaire, un engin léger est suffisant. Cet engin peut être manoeuvré de manière indépendante par rapport au largage des équipements 7 par le navire 5. Ces opérations peuvent donc être commencées sans attendre la fin du largage. Lorsque tous les équipements 7 ont été mis en place, les balises 3 reçoivent une instruction par voie acoustique qui déclenche leur ballastage, et elles sont récupérées en surface, au moyen du navire 5 et de manière appropriée avec l'aide de bouées GPS de type GIB, qui permettent de les localiser plus rapidement et d'accélérer leur récupération. A cet effet, les bouées GPS sont en communication radio avec le navire 5 et/ou avec un bateau ou canot mis à l'eau pour effectuer la récupération. On réalise ensuite l'acquisition des données sismiques proprement dite. Les tirs sont effectués typiquement au moyen de canons à air remorqués par un navire. Les données produites par les capteurs des équipements d'acquisition sont enregistrées dans les enregistreurs 31 desdits équipements 7. Après l'acquisition, on procède à la récupération des équipements 7. Pour cela, on déclenche la remontée des équipements 7 vers la surface, en actionnant le dispositif de ballastage 73, comme il a été décrit plus haut, au moyen d'une instruction acoustique émise à partir du navire. Une fois en surface, les équipements 7 sont localisés et récupérés. Ces opérations font appel de manière appropriée à des bouées GPS de type GIB exploitant les signaux acoustiques 13 émis par lesdits équipements lors de leur retour vers la surface, comme pour la récupération des balises 3. De façon appropriée, on peut déclencher simultanément la remontée de plusieurs équipements 7 voisins, afin de récupérer plusieurs équipements 7 en une seule opération de récupération dans la même zone. Alternativement, chaque équipement 7 peut être doté d'un récepteur GPS 77 et d'un émetteur radio 78 afin qu'il transmette, une fois arrivé en surface, ses io coordonnées géographiques 12 au bateau de récupération. REVENDICATIONS 1. Procédé d'acquisition de données sismiques en une pluralité de positions réparties sur une zone du fond de la mer, caractérisé par le fait qu'il comprend les étapes suivantes: - on émet des ondes acoustiques dans la tranche d'eau au-dessus de ladite zone au moyen d'une pluralité de sources, - pour chacune des dites positions d'acquisition, on largue de la surface un ensemble d'acquisition sismique, ledit ensemble comprenant une unité d'acquisition sismique et un équipement de guidage autonome apte à io recevoir pendant sa descente les émissions des dites sources, et on commande sa trajectoire en fonction des ondes reçues de façon à acheminer ledit ensemble vers ladite position, - on réalise l'acquisition sismique, - on déclenche la remontée des ensembles d'acquisition vers la surface, 15 - on récupère les ensembles d'acquisition en surface. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel les sources sont placées au fond de la mer. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel on synchronise les horloges des sources par rapport à un référentiel de temps 20 commun. 4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel on déclenche la remontée des sources après la descente des ensembles d'acquisition au fond de la mer. 5. Equipement de guidage destiné à diriger une unité d'acquisition sismique vers une position-cible située au fond de la mer, comprenant: un corps de profil hydrodynamique, - un organe de réception adapté à produire des signaux de commande en 14 réponse à la réception d'ondes acoustiques, - des moyens de guidage autonome solidaires du corps, permettant d'acheminer une unité d'acquisition vers ladite position-cible en fonction des signaux de commande reçus par l'organe de réception. 6. Equipement selon la revendication 5, dans lequel les moyens de guidage comprennent des moyens de modification de trajectoire et un ensemble de contrôle-commande relié à l'organe de réception et comprenant une mémoire permettant d'enregistrer une position-cible et les positions de sources d'ondes acoustiques susceptibles d'être reçues par io ledit organe de réception, ainsi que des moyens pour produire des instructions de modification de trajectoire. 7. Equipement selon la revendication 6, dans lequel lesdits moyens de modification de la trajectoire comprennent des gouvernes orientables. 8. Equipement selon la revendication 6, dans lequel lesdits moyens de modification de la trajectoire comprennent un dispositif pour déplacer latéralement le centre de gravité. 9. Equipement selon l'une des revendications 6 à 8, dans lequel l'ensemble de contrôle-commande comprend un capteur de cap et un 20 capteur d'attitude. 10. Equipement selon l'une des revendications 5 à 9, dans lequel il est prévu un dispositif de ballastage apte à être déclenché par une instruction reçue par l'organe de réception. 11. Equipement selon l'une des revendications 5 à 10, dans lequel l'organe de réception est un transducteur acoustique. 12. Ensemble d'acquisition sismique au fond de la mer, caractérisé par le fait qu'il comprend un équipement de guidage selon l'une des revendications 5 à 11, une unité d'acquisition sismique comprenant au moins un capteur sismique destiné au contact avec le fond de la mer et une unité d'enregistrement de données, reliée au capteur, et un élément de liaison entre l'équipement de guidage et l'unité d'acquisition. 13. Installation d'acquisition sismique au fond de la mer comprenant une pluralité d'ensembles d'acquisition selon la revendication 12, répartis sur une zone du fond de la mer, un navire, et des sources d'ondes acoustiques placées sur ou à proximité de ladite zone. 14. Installation selon la revendication 13, comprenant un engin sousmarin pour déterminer les positions précises des balises 3 et des équipements 7 après leur descente, et assurant éventuellement la lo synchronisation des horloges desdits équipements 7 sur un référentiel de temps commun.