Brevet FR2891629A1 — publié le 20070406

SYSTÈME ÉLECTROMAGNÉTIQUE DE PROSPECTION AVEC SOURCES MULTIPLES DOMAINE D'APPLICATION DE L'INVENTION La présente invention concerne de manière générale le domaine des systèmes électromagnétiques de prospection utilisés dans l'exploration sous-marine des hydrocarbures et, plus particulièrement, un tel système ayant une pluralité de sources. ANTÉCÉDENTS DE L'INVENTION Différents systèmes ont été déployés pour déterminer la réponse des couches souterraines de la terre à des champs électromagnétiques pour la recherche géophysique. Les techniques électromagnétiques (EM) de prospection, ou de sondage, peuvent donner de précieux aperçus sur la teneur probable en hydrocarbures des réservoirs souterrains. Récemment, les systèmes et techniques EM de prospection ont fait l'objet d'un intérêt croissant dans le cadre des applications commerciales de recherche du pétrole et du gaz. Des techniques sismiques sont souvent utilisées au cours de l'exploration pétrolière pour déterminer l'existence, l'emplacement et l'étendue des réservoirs dans les couches de roches souterraines. Au cours de l'exploration sismique, un signal sonore est transmis aux couches souterraines dans lesquelles le signal rencontre des anomalies géologiques. Le signal sismique est alors réfléchi vers des récepteurs tels des hydrophones pour l'exploration sous-marine. Les signaux ainsi reçus sont analysés pour l'apparence de structures sous-marines, de manière idéale indicatives de la présence d'hydrocarbures. Bien que la prospection sismique puisse identifier de telles structures, la technique est souvent incapable de distinguer entre les différentes compositions possibles des fluides interstitiels à l'intérieur de ces dernières, en particulier pour les fluides interstitiels qui ont des propriétés mécaniques similaires. Dans le domaine de l'exploration pétrolière, il est nécessaire de déterminer si un réservoir qui a été identifié contient du pétrole ou simplement des fluides interstitiels aqueux. À cette fin, un puits d'exploration est souvent foré pour déterminer le contenu du réservoir Cependant, il s'agit d'un procédé onéreux qui n'offre aucune garantie de retour financier. Par conséquent, bien que les réservoirs remplis d'huile et les réservoirs remplis d'eau soient mécaniquement similaires, ils possèdent des propriété électriques significativement différentes et ces propriétés offrent la possibilité d'effectuer des essais de discrimination électromagnétiques. De même, les techniques sismiques ne sont pas bien adaptées à la détection de certains autres contrastes de résistivité qui peuvent s'avérer utiles dans l'identification des bons candidats à une exploration plus poussée des hydrocarbures. Une technique connue de sondage électromagnétique des couches de roches souterraines est la méthode magnétotellurique (MT) passive, telle que décrite dans GB2390904 à l'University of Southampton. Dans une telle méthode, le signal mesuré par un détecteur électromagnétique installé en surface en réponse à des champs électromagnétiques (EM) générés de manière naturelle, tels qu'à l'intérieur de la haute atmosphère terrestre, peuvent fournir des détails sur les couches de roches souterraines environnantes. Cependant, pour les explorations en mer profonde, la totalité des signaux, à l'exception de ces signaux MT ayant des périodes correspondant à plusieurs cycles par heure, sont éliminés du fond océanique par l'eau de mer fortement conductrice. Bien que les signaux à longueur d'onde importante qui pénètrent jusqu'au fond océanique puissent être utilisés pour la prospection sous-marine à grande échelle, ils n'offrent pas une résolution spatiale suffisante pour examiner les propriétés électriques des réservoirs souterrains qui sont typiquement de dimensions relativement petites. De plus, puisque l'exploration MT se base principalement sur des champs EM polarisés horizontalement, elle est intrinsèquement insensible aux couches résistives minces. Néanmoins, les mesures de la résistivité électrique en dessous du fond océanique ont traditionnellement joué un rôle crucial dans l'exploration des hydrocarbures et l'évaluation et le développement des réservoirs. Il existe des avantages évidents à développer des méthodes géophysiques noninvasives capables de fournir de telles informations à partir de la surface ou du fond océanique. Par exemple, les énormes économies qui peuvent être réalisées en évitant les coûts de forage des puits d'essai dans des structures qui ne contiennent pas des quantités économiquement récupérables d'hydrocarbures représenterait un avantage économique majeur. Dans les domaines de la recherche qui n'ont pas d'intérêt commercial, des méthodes géophysiques pour cartographier les variations de la résistivité souterraine par différente formes d'exploration EM sont utilisées depuis de nombreuses années. Des propositions pour découvrir des réservoirs d'hydrocarbures utilisant une telle exploration EM ont été faites et les applications à la détection directe des hydrocarbures utilisant des sources à dipôle électrique horizontal (HED) et des détecteurs ont été couronnées de succès. Par conséquent, le CSEM (électromagnétisme à source contrôlée) est une technique de transmission d'énergie électromagnétique discrète à très basse fréquence utilisant une source de génération de courant et un dipôle électrique. Le CSEM cartographie les contrastes de résistivité dans la sub-surface. La méthode est sensible aux formations à résistivité relativement élevée enfouies dans une formation à résistivité relativement faible. L'intervalle de fréquences en CSEM est typiquement compris entre 1/32 Hz et 32 Hz; cependant, la plupart des applications sont sub-hertziennes (en dessous de 1 Hz). En fonctionnement, une flotte de récepteurs sont déployés sur le fond océanique. La source de transmission est ensuite remorquée au-dessus de ces récepteurs, et les récepteurs détectent le champ EM transmis, qui est altéré par la présence de la résistivité variable de la sub-surface à l'intérieur de la portée des récepteurs. Un système de prospection CSEM typique comporte une antenne de transmission pour utilisation en exploration EM en dessous du fond océanique et comprend une source de courant abritée dans un poisson et une antenne dipôle L'antenne dipôle comprend une première électrode montée sur un câble et située à proximité de la source de courant, et une seconde électrode montée sur un câble et située à l'écart de la source de courant. Chaque électrode est connectée électriquement à la source de courant. L'antenne de transmission peut être déployée en étant remorquée derrière un bâtiment et différent capteurs peuvent être montés sur chaque câble. Bien que de tels systèmes soient prometteurs en exploration commerciale, ils souffrent de certains inconvénients et limitations. La portée de tels systèmes est déterminée par de nombreux facteurs, y compris la fréquence et le courant de la source de courant. De tels systèmes ont une source unique et par conséquent, la fréquence et le courant sont déterminés par des facteurs techniques et ne peuvent pas être modifiés en dehors de paramètres relativement limités. L'état actuel de la technique comprend l'utilisation d'une source de courant unique pour générer jusqu'à environ 1600 ampères. L'homme de métier considère de manière générale qu'environ 1700 ampères est la limite physique pour une application à source unique, limitée principalement par le diamètre transversal des conducteurs transportant le courant et l'état actuel de la technique dans le domaine de l'efficacité des isolants. De plus, de tels systèmes ont une géométrie à nombre limité d'émetteurs, voire à émetteur unique, et ne sont pas adaptés pour évolution par addition de composants dans différentes configurations. Par conséquent, il subsiste le besoin d'avoir un système EM qui offre une souplesse dans la disposition de sources d'énergie multiples pour augmenter la portée et la capacité effectives de tels systèmes connus. La présente invention couvre ces inconvénients de l'art actuel, ainsi que d'autres. RÉSUMÉ DE L'INVENTION La présente invention résout ces problèmes indiqués dans l'art actuel en fournissant de multiples sources dans un système de prospection électromagnétique à source contrôlée (CSEM). Dans un premier aspect, la présente invention comprend un câble émetteur pour utilisation dans la prospection électromagnétique. Le câble émetteur comprend une antenne dipôle comprenant une première électrode sur un câble antenne d'une première longueur, et une seconde électrode sur un câble antenne d'une seconde longueur; et une pluralité de sources de courant couplées électriquement à l'antenne dipôle. Dans un autre aspect de l'invention, une pluralité de sources sont fournies pour un câble émetteur. Dans une réalisation actuellement préférée, deux antennes peuvent être alimentées par chaque source. Dans une autre réalisation, les sorties de chaque source sont connectées à une paire d'antennes communes. De plus, un gros bloc d'alimentation unique peut être monté sur un bâtiment pour fournir de l'énergie par l'intermédiaire du câble de remorquage. Dans une autre réalisation, un nombre de blocs d'alimentation peuvent être prévus, chaque bloc d'alimentation ayant des conducteurs dédiés dans le câble de remorquage pour alimenter la pluralité de sources de courant. Ces aspects, objets et avantages de l'invention, ainsi que d'autres, deviendront apparents à l'homme de métier d'après l'étude de la description détaillée qui suit, de pair 25 avec les dessins joints. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS De manière à comprendre en détail les caractéristiques, avantages et objets de la présente invention exposés ci-dessus, l'invention, brièvement résumée ci-dessus, peut être décrite de manière plus spécifique par référence à ses modes de réalisation qui sont illustrés sur les dessins joints. La Figure 1 est un diagramme schématique d'un système de prospection CSEM connu de l'art antérieur. La Figure 2 est un diagramme schématique d'un système de prospection CSEM de la présente invention utilisant une pluralité de sources, avec trois de ces sources illustrées. La Figure 3 est un diagramme électrique schématique illustrant la distribution de l'énergie à une pluralité de sources à partir d'une source d'énergie électrique unique à bord d'un bâtiment. La Figure 4 est un diagramme électrique schématique illustrant la distribution de l'énergie provenant d'une paire de sources à une antenne dipôle unique. DESCRIPTION DÉTAILLÉE DES RÉALISATIONS PRÉFÉRÉES La Figure 1 illustre l'antenne de transmission d'un système de prospection EM à source unique typique 10 remorquée derrière un bâtiment 12 par un câble de remorquage 14. L'antenne 10 comprend une source de courant unitaire 16 qui peut être abritée à l'intérieur d'un poisson aux fins de flottabilité pour maintenir une altitude prédéterminée au-dessus du fond océanique. La source de courant 16 fournit du courant à une antenne dipôle 18 qui comprend une première électrode 20 montée sur un premier câble relativement court 22 et une seconde électrode 24 montée sur un second câble relativement long 26. De cette manière, la première électrode est située plus près de la source et la seconde électrode est située plus loin de la source, et de l'énergie électromagnétique circule entre les deux électrodes à travers l'eau de mer située entre elles. Les deux électrodes sont alimentées par la même source unitaire 16 et sont par conséquent limitées au courant fourni par cette source unique et à la même fréquence. La présente invention vise à éliminer cette limitation de l'art actuel. La Figure 2 dépeint une antenne de transmission 30 de la présente invention remorquée derrière le bâtiment 12 par le câble de remorquage 14, comme précédemment. Dans ce cas, cependant, l'antenne de transmission 30 comprend une antenne dipôle 34 ayant deux sources ou plus, illustrées par les sources 32, 32' et 32" à la Figure 2, connectées en parallèle, bien que d'autres géométries et types d'antennes puissent être utilisés. Les sources 32, 32' et 32" fournissent une pluralité de courants et de fréquences aux électrodes 20 et 24 par l'intermédiaire de leurs câbles respectifs 22 et 26. La présente invention a été décrite comme comprenant deux sources ou plus. Cependant, il peut devenir difficile de construire plus de quatre de ces sources ensemble et cela peut ne pas offrir de capacités techniques supplémentaire en rapport avec l'augmentation de la complexité. Cependant, l'invention contemple et comprend de telles dispositions bien qu'elles puissent ne pas être des réalisations préférées. Un nombre de dispositions peuvent être utilisées pour l'alimentation d'une pluralité de sources de courant à partir du bâtiment. Une disposition unique comprend la fourniture d'un gros bloc d'alimentation (PSU) unique à bord du bâtiment et le transfert de l'énergie depuis le bâtiment à la pluralité de sources par l'intermédiaire du câble de remorquage. Le câble de remorquage peut comprendre un ou plusieurs conducteurs d'énergie, et l'énergie ainsi fournie est commune à chaque source. La Figure 3 dépeint un schéma électrique pour l'alimentation d'une pluralité de sources à partir d'un PSU unique à bord du bâtiment. Selon cette disposition, l'énergie est transférée par des conducteurs à l'intérieur du câble de remorquage 14 jusqu'à une boîte de jonction 40. La boîte de jonction 40 fournit l'énergie aux sources étiquetées 42, 42' et 42" à la Figure 3. L'énergie est transférée par les câbles d'énergie 44, 44' et 44", respectivement, et est fournie à la boîte de jonction à partir d'un bloc d'alimentation 46 à bord du bâtiment (voir Figure 2). Il convient de remarquer qu'avec la disposition illustrée à la Figure 3 utilisant de multiples sources en parallèle, une somme des courants de sortie est fournie aux électrodes. Dans une autre réalisation préférée, une pluralité de blocs d'alimentation sont fournis à bord du bâtiment. En ayant une pluralité de PSU, l'un de ces PSU peut être dédié à la fourniture d'énergie à chaque source séparément. Dans ce cas, le câble de remorquage comprend de multiples conducteurs d'énergie. Une paire de conducteurs (alimentation et retour) est dédiée à chaque source, c'est-à-dire que deux sources nécessitent un câble à quatre conducteurs, etc. Un avantage de ce schéma est que chaque source est isolée de l'autre (par l'intermédiaire des PSU séparés) et que par conséquent, les spectres d'énergie et de fréquence peuvent être adaptés à chaque environnement pour l'exploration. Par exemple, davantage de fréquences peuvent être générées qu'il ne serait possible avec une forme d'onde complexe conçue pour être déconvoluée en de multiples fréquences. De même, l'énergie ou le courant délivré(e) à chaque fréquence peut être contrôlé(e) individuellement, contrairement aux contraintes inhérentes à une forme d'onde unique dans laquelle l'énergie délivrée diminue souvent lorsque la fréquence augmente. De plus, la synchronisation de chaque source avec l'autre est triviale puisque la sortie CA du PSU (ou de multiples PSU) vers chaque source peut être verrouillée par GPS. Par conséquent, l'invention permet à un opérateur d'utiliser des fréquences 2891629 -7- spécifiques conçues pour atteindre différentes cibles à différentes profondeurs, et par conséquent offre à l'opérateur une grande souplesse dans la conception de l'exploration. Plusieurs schémas sont possibles pour fournir le courant de chaque source aux antennes. Un schéma comprend le maintien des antennes séparées pour chaque source, c'est-à-dire le maintien de deux antennes par source. Ce schéma est le plus simple à réaliser d'un point de vue électrique. En maintenant les antennes et les électrodes en parallèle, chaque source ne voit que son impédance de sortie; c'est-à-dire que le fait d'ajouter de multiples sources ne change pas l'impédance de sortie d'une autre source. Cependant, d'un point de vue opérationnel, ce schéma est plus difficile que les autres. Selon un autre schéma, les sorties de chaque source sont connectées à une paire d'antennes communes. Selon ce schéma, chaque source doit être amortie ou isolée électriquement des autres. Ceci est obtenu, par exemple, en utilisant des diodes de puissance sur chaque sortie, comme illustré à la Figure 4. La Figure 4 illustre une première source 50 et une seconde source 50'. La première source 50 comprend une sortie positive 52 et une sortie négative 54, et la seconde source 50' comprend une sortie positive 52' et une sortie négative 54'. Les sorties positives 52, 52' sont couplées au câble 26 et par conséquent à l'électrode 24, et de manière similaire, les sorties négatives 54, 54' sont couplées au câble 22 et par conséquent à l'électrode 20. Les sorties positives et négatives pourraient également être couplées réciproquement aux électrodes 20, 24, respectivement. Les diodes de puissance isolent ainsi les sources 50 et 50' l'une de l'autre. Ceci est évident à mettre en place d'un point de vue opérationnel. Cependant, la possibilité de délivrer le courant devient très dépendant de l'impédance de l'antenne et de l'impédance de contact, c'est-à-dire que l'impédance d'une paire d'antennes définit l'impédance de la charge totale. En résumé, l'utilisation de multiples sources pour le système de prospection électromagnétique à source contrôlée comme décrit ci-dessus, dont les sorties sont verrouillées en fréquence et en phase, résulte en une sortie totale égale à la somme des sources individuelles. Par exemple, l'utilisation de trois sources de 800 A est équivalente à une source unique de 2400 A. De même, l'utilisation de trois sources permet de segmenter l'énergie de sortie dans le domaine des fréquences. En d'autres mots, si trois sources sont utilisées, la première source peut être contrainte à émettre de faibles fréquences, alors que les deux autres sources émettent des fréquences moyennes et élevées, respectivement. Finalement, un système à sources multiples peut être utilisé pour segmenter l'énergie en composants X, Y et Z. Actuellement, seul l'axe X est utilisé dans un système typique, comme illustré à la Figure 1. Le système de la présente invention tel que décrit en détails est de manière inhérente évolutif et configurable en sortie d'énergie, distribution de fréquences et géométrie des émetteurs. Les principes, la réalisation préférée et le mode de fonctionnement de la présente invention ont été décrits dans la spécification précédente. Cette invention n'est pas conçue pour être limitée aux formes particulières dévoilées, puisqu'elles sont considérées être illustratives plutôt que restrictives. De plus, des variations et changements peuvent être apportés par l'homme de métier sans s'écarter de l'étendue de l'invention. REVENDICATIONS 1. Un câble émetteur pour utilisation dans la prospection électromagnétique, 5 comprenant: une antenne; et une pluralité de sources de courant couplées électriquement à l'antenne. 2. Le câble émetteur de la revendication 1, caractérisé en ce que l'antenne est une antenne dipôle. 3. le câble émetteur de la revendication 1, comprenant de plus: une première électrode sur un câble antenne d'une première longueur; et une seconde électrode sur un câble antenne d'une seconde longueur. 4. Le câble émetteur de la revendication 3, caractérisé en ce que chacune de la pluralité de sources de courant est couplée électriquement au câble de la première longueur et au câble de la seconde longueur. 5. Le câble émetteur de la revendication 4, comprenant de plus une diode d'isolation d'énergie entre chacune de la pluralité de sources de courant et le câble de la première longueur et le câble de la seconde longueur. 6. Le câble émetteur de la revendication 1, caractérisé en ce que la pluralité de sources de courant sont couplées électriquement en parallèle. 7. Le câble émetteur de la revendication 1, comprenant de plus une source d'énergie électrique commune pour la pluralité de sources de courant. 8. Le câble émetteur de la revendication 1, comprenant de plus une source d'énergie électrique séparée couplée électriquement à chacune de la pluralité de sources de courant. 9. Le câble émetteur de la revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins deux de la pluralité de sources de courant fonctionnent à différentes fréquences. - 10 - 10. Le câble émetteur de la revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins deux de la pluralité de sources de courant fonctionnent à différents courants. 11. Le câble émetteur de la revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins deux de la pluralité de sources de courant fonctionnent à différentes fréquences et différents courants, et le courant délivré à chaque fréquence est contrôlé de manière sélective. 12. Un système de prospection électromagnétique comprenant: un câble émetteur comprenant: une antenne; et une pluralité de sources de courant couplées électriquement à l'antenne; une source d'énergie électrique pour les sources de courant; une pluralité de récepteurs; et des moyens pour remorquer le câble émetteur dans l'eau à proximité de la pluralité de récepteurs. 13. Le système de la revendication 12, caractérisé en ce que les moyens de remorquage comprennent un câble de remorquage couplé à un bâtiment. 14. Le système de la revendication 13, comprenant de plus: un conducteur électrique dans le câble de remorquage; et une boîte de jonction entre le conducteur électrique et la pluralité de sources de courant. 15. Le système de la revendication 13, comprenant de plus une pluralité de conducteurs électriques dans le câble de remorquage, la pluralité de conducteurs électriques comprenant une paire de conducteurs électriques pour chacune de la pluralité de sources de courant. 16. Le système de la revendication 12, caractérisé en ce que le câble émetteur comprend de plus: une première électrode sur un câble antenne d'une première longueur; et une seconde électrode sur un câble antenne d'une seconde longueur. 17. Le système de la revendication 16, caractérisé en ce que chacune de la pluralité de sources de courant est couplée électriquement au câble de la première longueur et au câble de la seconde longueur. 18. Le système de la revendication 17, comprenant de plus une diode d'isolation d'énergie entre chacune de la pluralité de sources de courant et le câble de la première longueur et le câble de la seconde longueur. 19. Le système de la revendication 12, caractérisé en ce que la pluralité de sources de courant sont couplées électriquement en parallèle. 20. Le système de la revendication 12, caractérisé en ce qu'au moins deux de la pluralité de sources de courant fonctionnent à différentes fréquences. 21. Le système de la revendication 12, caractérisé en ce que l'antenne est une antenne dipôle. 22. Le câble émetteur de la revendication 12, caractérisé en ce qu'au moins deux de la pluralité de sources de courant fonctionnent à différentes fréquences et différents courants, et le courant délivré à chaque fréquence est contrôlé de manière sélective.