Brevet FR2969770A1 — publié le 20120629

Procédé, dispositif et unité de réception pour l'acquisition sismique au fond de la mer DOMAINE TECHNIQUE GENERAL La présente invention se rapporte au domaine de l'acquisition sismique pour l'exploration du sous-sol. Plus précisément, elle se rapporte à l'acquisition sismique au fond de la mer. 10 ETAT DE L'ART Lors d'études sismiques terrestres, on utilise le plus souvent des géophones verticaux qui mesurent les mouvements verticaux de la surface 15 du sol. Ils sont généralement répartis sur la zone à étudier et "plantés" manuellement. Ils sont reliés à une station d'acquisition par une pluralité de câbles. Plusieurs centaines de géophones peuvent être utilisés à la fois. Un géophone a un axe de sensibilité maximale ; quand cet axe est vertical, le géophone est surtout sensible aux ondes sismiques de 20 compression qui se propagent jusqu'à la surface du sol en direction verticale, mais généralement peu sensible aux ondes sismiques de cisaillement qui se propagent en direction horizontale. En effet la sensibilité chute lorsque l'on s'écarte de la direction de sensibilité maximale. Donc, si l'axe du géophone est incliné par rapport à la verticale, les signaux qu'il 25 transmettra seront d'une part atténués et d'autre part contaminés par la partie des ondes de cisaillement se projetant sur son axe. Par ailleurs un géophone vertical classique dont l'axe s'écarte trop de la verticale cesse de fonctionner correctement, voire de fonctionner tout court. Planter les géophones est donc une bonne solution pour s'assurer de la qualité de 30 l'acquisition. En revanche, en milieu marin il n'est plus possible de planter les géophones pour s'assurer de leur verticalité. En conséquence, on substitue5 généralement aux géophones des hydrophones, qui mesurent les variations de pression résultant de la propagation des ondes sismiques dans le milieu aquatique. Les hydrophones n'ont ainsi pas d'orientation préférentielle, et sont fixés à des câbles sismiques qui peuvent être remorqués à une profondeur de 5 à 10 m par un bateau, auquel cas ces câbles sont appelés des flûtes sismiques (en anglais « streamers »), ou disposés sur le fond marin au-dessus de la zone du sous-sol dont on veut obtenir une image sismique. C'est ce que l'on appelle des OBC, pour « Ocean Bottom Gable » (Câble de fond océanique). D'éventuelles torsions du câble et une orientation aléatoire des hydrophones sont sans conséquence. Dans le cas des OBC, quand la profondeur d'eau dépasse 7 à 10 m un phénomène vient compliquer le signal fourni par l'hydrophone jusqu'à le rendre inutilisable. Ce phénomène est la réflexion des ondes à la surface de l'eau. La solution est alors d'utiliser à la fois des géophones verticaux et des hydrophones (voir brevet US 5935541 à ce sujet) et de combiner leurs signaux de sortie pour éliminer les réflexions parasites. Une solution combinant géophones et hydrophones est également pratiquée dans le cas où l'on place au fond de la mer des unités de réception sismique autonomes, non reliées par câble. Le problème de la verticalité des géophones a, jusqu'à l'heure actuelle, été traité de deux façons différentes. Une première approche consiste à utiliser des géophones montés sur cardan, dont l'orientation verticale s'obtient grâce à une masselotte au bout d'un bras qui prend une direction verticale par gravité. Il s'agit cependant d'un montage mécanique coûteux, fragile et donc peu fiable. Il a également été proposé d'utiliser des géophones dits « omni-tilt » (c'est-à-dire fonctionnant dans toutes les directions). Les inconvénients de cette seconde solution sont la nécessité d'utiliser au moins deux géophones pour reconstituer un seul signal et le fait que ces géophones ont une fréquence relativement élevée (supérieure à 15 Hz.) Le document US 4,078,223 décrit un câble, comprenant des modules constitués de trois géophones bipolaires orientés selon trois axes différents dans un plan orthogonal à l'axe du câble. Grâce à cette structure relativement simple, il n'y a jamais plus de 30° entre la verticale et l'axe de l'un des géophones. Toutefois, un écart de 30° suffit à diviser la sensibilité par deux. Par ailleurs les géophones ne sont pas aussi simples que des géophones classiques puisqu'ils sont bipolaires. Cela signifie qu'ils ont un seul axe de sensibilité maximale, mais peuvent être placés dans un sens comme dans l'autre selon cet axe. Un géophone terrestre ne fonctionnerait pas s'il était planté à l'envers. Des moyens d'inversion de polarité sont en outre nécessaires pour continuer à fonctionner lorsque le câble se retourne complètement. PRESENTATION DE L'INVENTION La présente invention vise à permettre l'acquisition marine au fond de la mer de manière simple, robuste, et peu coûteuse. A cet effet, la présente invention se rapporte, selon un premier aspect, à un dispositif de prospection sismique au fond de la mer comprenant un câble présentant un axe longitudinal, une pluralité de boîtiers de réception espacés le long du câble et comportant chacun deux faces principales sensiblement planes et parallèles, chaque boîtier étant disposé le long du câble de telle sorte que les faces principales soient parallèles à l'axe longitudinal du câble, une paire de géophones positionnés dans chaque boîtier de telle sorte que leur axe de sensibilité maximale soit orthogonal aux faces principales, lesdits géophones étant orientés selon des sens opposés. En opération, chaque boîtier repose sur le fond de la mer par une de ses faces principales, et, quelle que soit la face en contact, un seul des géophones est en position pour enregistrer des signaux sismiques. Ceci ne nécessite que des géophones uni- axiaux, lesquels sont peu coûteux, et parfaitement adaptés aux basses fréquences. - Selon une forme de réalisation, les deux géophones sont montés en série de manière à ce qu'un seul signal soit émis par paire de géophone ; - les géophones sont des géophones basse fréquence, par exemple d'une fréquence de 10 Hz. Selon un autre aspect de l'invention, il est prévu une unité de réception destiné à l'acquisition de données sismiques au fond de la mer, comportant deux faces principales sensiblement planes et parallèles, et au moins une paire de géophones logés dans une enceinte placée entre les dites faces principales et disposés de telle sorte que leurs axes de sensibilité maximale soient parallèles et orthogonaux aux faces principales, lesdits géophones étant orientés selon des sens opposés. Selon encore un autre aspect de l'invention, il est prévu un procédé pour l'acquisition de données sismiques au fond de la mer, dans lequel on place au fond de la mer une paire de géophones montés en sens opposés de manière que les axes de sensibilité maximale des géophones soient sensiblement orthogonaux à la surface du fond de la mer. PRESENTATION DES FIGURES D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre d'exemples de réalisation. Cette description sera donnée en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 montre un câble OBC utilisé pour l'acquisition sismique au fond de la mer ; - la figure 2 est une vue du dessus d'une section de câble OBC montrant un boîtier de réception, selon un exemple de réalisation ; - la figure 3 est une vue schématique montrant en coupe verticale longitudinale un boîtier de réception tel que représenté à la figure 2 ; - la figure 4 montre un schéma de connexion pouvant être utilisé dans un boîtier tel que représenté à la figure 3 ; - la figure 5 montre une variante de réalisation ; - la figure 6 montre un schéma de connexion pouvant être utilisé dans un boîtier tel que représenté à la figure 5. DESCRIPTION DETAILLEE Un dispositif 1 de prospection sismique au fond de la mer du type câble OBC comporte typiquement une pluralité de boîtiers de réception 10 disposés à intervalles réguliers le long d'un câble sismique 2. Cette architecture est représentée sur la figure 1. De tels câbles peuvent être extrêmement longs, et mesurer notamment jusqu'à près de 20 km. Habituellement, on place un boîtier 10 tous les 50 m environ. Un câble OBC est posé au fond de la mer au-dessus de la zone du sous-sol à explorer grâce à un navire de manoeuvre, auquel le bout du câble est relié. Le câble sismique 2 sert à la fois de support aux boîtiers 10, de moyen de transmission des données acquises par les capteurs des boîtiers 10, et de câble d'alimentation des capteurs sismiques, le cas échéant en combinaison avec des batteries. Il est conçu pour permettre la traction de l'ensemble du dispositif, en particulier lorsqu'il est remonté sur le navire de commande en fin de campagne. Les propriétés recherchées pour les câbles sont donc une bonne flexibilité, une haute résistance à la traction, et un débit de données élevé. On citera en tant que câble OBC commercial le système SeaRay commercialisé par la société Sercel. Architecture du boîtier Le câble 2 présente un axe longitudinal, du moins localement : s'il est suffisamment long, il peut être déposé sur le plancher océanique en formant une courbe. En particulier, le câble 2 peut traverser de part et d'autre chaque boîtier 10, notamment s'il y a besoin d'une forte résistance à la traction, ou alors se présenter sous la forme de tronçons dont les extrémités sont fixées aux boîtiers 10 et alignées selon l'axe longitudinal. Comme l'on voit sur la figure 2 et plus précisément sur la figure 3, un boîtier 10 présente deux faces principales 11 a et 11 b, sensiblement planes, 5 parallèles entre elles et avec l'axe longitudinal du câble au niveau du boîtier. Par faces principales, on entend les deux faces de plus grande aire. La forme du boîtier 10 peut être parallélépipédique, comme dans le mode de réalisation représenté. Dans ce cas, les faces 11 a et 11 b sont des rectangles. Toutefois, le boîtier 10 n'est pas limité à cette géométrie et peut prendre la forme de tout solide présentant deux faces sensiblement planes et parallèles, tel un cylindre (dans ce cas, les faces 11 a et 11 b sont des disques), à condition toutefois, que le solide présente bien deux faces principales. Le parallélépipède peut avoir de façon appropriée une de ses dimensions deux fois ou plus de deux fois plus petite que les autres. Un solide qui a deux faces principales sensiblement planes et parallèles a une très forte probabilité de s'arrêter et de rester sur une de ces deux faces principales, quelle que soit la position d'où il tombe. Ainsi, le boîtier 10 présente une de ses faces principales 11 a ou 11 b en contact avec le fond océanique. En outre, comme expliqué précédemment, l'agencement est tel que l'axe longitudinal du câble 2 soit aussi sensiblement parallèle aux faces principales 11 a et 11 b. Le câble sismique 2 ne gêne donc pas la pose des boîtiers 10 sur le fond océanique, et peut lui-même reposer sur le fond. Si le fond océanique est sensiblement horizontal, comme c'est le plus souvent le cas, les faces principales des boîtiers 10 sont sensiblement horizontales. Dans le cas d'un boîtier parallélépipédique, les flancs, c'est-à-dire les deux faces latérales non principales, peuvent de façon appropriée avoir une forme bombée. Ainsi, même dans le cas où un boîtier 10 tombe parfaitement sur le flanc et reste dans cette position, son équilibre est instable et les légers mouvements du câble 2 ou de l'eau de mer le feront basculer vers sur une face principale 11 a ou 11 b. Le boîtier 10, en particulier son enveloppe externe, peut être réalisé en un matériau métallique inoxydable, tel qu'un bronze d'aluminium (ou cuproaluminium). Ce matériau assez dense protège les capteurs présents à l'intérieur du boîtier, et stabilise le boîtier 10 une fois qu'il est posé. Il y a peu de risques qu'il se retourne ou qu'il se déplace sensiblement à cause des courants. Il peut être pourvu de trous, comme il sera expliqué plus loin. Capteurs Chaque boîtier 10 comprend au moins une paire de géophones 3a et 3b, qui sont de façon appropriée des géophones uni-axiaux classiques. De façon appropriée, on utilise des géophones ne produisant pas de signal lorsqu'ils sont placés en position inverse par rapport à l'orientation normale de fonctionnement. Cela est obtenu avec des géophones de fréquence suffisamment basse, typiquement de fréquence 10 Hz ou moins. De tels géophones, capables de détecter les variations de vitesse verticale des particules dues au passage d'une onde sismique, sont robustes et bon marché. La face principale du boîtier 10 en contact avec le plancher océanique assure un très bon couplage avec celui-ci : les ondes sismiques sont transmises sans pertes aux géophones situés à l'intérieur du boîtier. Comme expliqué précédemment, cette face peut être considérée comme sensiblement horizontale. En alignant l'axe de sensibilité maximale des géophones 3a et 3b avec une perpendiculaire aux faces principales 11 a et 11 b, on aligne donc les géophones 3a et 3b de façon quasiment parfaite avec la verticale. Les géophones 3a et 3b sont disposés en sens inverse l'un de l'autre, comme représenté par les flèches sur la figure 3. Les flèches indiquent par convention la direction de propagation du champ d'onde auquel un géophone est sensible. Selon la figure 3, le géophone 3a contient une flèche dirigée vers le bas et le géophone 3b une flèche dirigée vers le haut. Le champ d'onde sismique à enregistrer est ascendant, il se propage du sous-sol vers la surface du sol, en l'occurrence le fond de la mer. C'est donc le géophone 3b qui est orienté pour produire un signal en réponse à l'arrivée de l'onde sismique ascendante. Le géophone 3a, orienté en sens opposé, ne produit pas de signal à l'arrivée de l'onde sismique ascendante. Grâce à cet agencement, il est indifférent que la face en contact avec le fond marin soit la face 11 a ou la face 11 b. En effet, dans chacun des cas, un des géophones et un seul est en position pour enregistrer des signaux représentatifs des variations de vitesse dues à la propagation d'une onde sismique ascendante. L'autre géophone, du fait qu'il est disposé en sens opposé, est dans une position inactive et ne produit pas d'enregistrement reflétant les variations de vitesse susvisées. On peut envisager différents modes de connexion pour les géophones. On a représenté à la figure 4, en tant qu'exemple de réalisation, un montage en série des géophones 3a et 3b, qui produit en sortie (sorties 3 raccordées au câble 2) un signal unique équivalent au signal qu'aurait fourni un seul géophone orienté de façon convenable pour l'enregistrement. Cela permet d'utiliser un seul canal d'enregistrement du câble 10 pour la paire de géophones. Dans le montage série, le géophone en position inactive n'a d'autre influence sur le signal de sortie que celle d'un composant électrique passif. Il est donc facile de compenser cette influence dans le signal de sortie en fonction des caractéristiques électriques des géophones, qui sont connues pour chaque modèle de géophone. Dans l'exemple de réalisation des figures 2 et 3, le boîtier 10 comprend comme il est habituel un hydrophone 4. Cela permet au dispositif 1 d'être utilisé à des profondeurs d'eau supérieures à 7 ou 10 m sans être affecté par les réflexions sur la surface de l'eau. On note sur la figure 2 que le boîtier 10 définit un espace intérieur 5 dans lequel sont logés les géophones 3a, 3b et I'hydrophone 4. Le boîtier 10 est percé de trous 6 qui laissent entrer l'eau dans l'espace intérieur 5 de manière à mettre I'hydrophone 4 au contact de l'eau. Dans cet exemple de réalisation, les composants électroniques, et notamment les géophones 3a et 3b, sont enfermés dans des enceintes étanches 7. Il est envisageable de prévoir dans un boîtier 10 plus d'une paire de géophones orientés en sens opposés, afin d'accroître la sensibilité. Ainsi, la figure 5 illustre à titre d'exemple une réalisation dans laquelle un boîtier 10 contient, outre un hydrophone 4, deux paires de géophones 7a, 7b et 8a, 8b, les géophones de chaque paire étant montés en sens opposés comme symbolisé par les flèches : ainsi les géophones 7a et 7b sont montés en sens opposés, de même les géophones 8a et 8b sont montés en sens opposés. Dans l'exemple de la figure 6, les géophones 7a, 7b et 8a, 8b sont montés en série, les sorties 9 du montage sont connectées au câble 2. En ce qui concerne le mode de montage électrique, on notera que le montage en série mentionné plus haut et représenté aux figures 4 et 6 est un exemple de réalisation, ce n'est pas la seule solution possible. Un montage en parallèle est aussi envisageable, et dans le cas de deux ou plus de deux paires de géophones, on peut combiner montage série et montage parallèle : par exemple un montage en parallèle pour les deux géophones en sens opposés de chaque paire, et un montage en série des deux paires ; ou à l'inverse, un montage en série des deux géophones de chaque paire, et un montage en parallèle des deux paires. Les solutions décrites ci-dessus peuvent être utilisées en combinaison pour répondre de façon optimale aux impératifs de chaque situation. Par exemple, il est envisageable dans un même câble 2 d'utiliser des boîtiers 10 contenant une seule paire de géophones et d'autres boîtiers contenant plus d'une paire de géophones, par exemple deux paires de géophones. Comme il a été indiqué plus haut, l'invention englobe un mode d'acquisition sismique autre que les câbles OBC, à savoir l'acquisition au moyen d'unités de réception autonomes (appelés du terme anglais « nodes » dans le jargon technique). Dans cette technique, les unités de réception sont placées au fond de la mer par un moyen approprié, choisi en fonction des paramètres de l'acquisition envisagée, en particulier la profondeur de la mer et le nombre d'unités de réception à déployer. Une unité autonome conforme à l'invention peut être réalisée avec des caractéristiques similaires à celles d'un boîtier de réception tel que représenté aux figures 2 et 3, moyennant les adaptations nécessaires. Ainsi l'unité autonome comporte deux faces principales sensiblement planes et parallèles, et au moins une paire de géophones logés dans une enceinte placée entre les faces principales et disposés de telle sorte que leurs axes de sensibilité maximale soient parallèles et orthogonaux aux faces principales, les géophones étant orientés selon des sens opposés. Il est en outre habituel de prévoir un hydrophone logé dans ladite enceinte. L'unité autonome, contrairement au boîtier de réception des figures 2 et 3, n'est pas reliée à un câble et ne comporte pas de connexions telles que les connexions 2 de la figure 2. L'unité autonome comprend par ailleurs un enregistreur de données et une source d'énergie électrique telle qu'une batterie. Ces composants sont fixés sur les plaques principales de telle façon que le placement désiré de l'unité, avec une des faces en contact avec le fond, soit assuré. Comme il a été dit plus haut au sujet des boîtiers de réception de câbles OBC des figures 2 et 3, les plaques dans le cas d'unités autonomes peuvent avoir différentes géométries, par exemple une forme de disque, circulaire ou d'une autre forme courbe. REVENDICATIONS1. Dispositif de prospection sismique au fond de la mer comprenant un câble (2) présentant un axe longitudinal, une pluralité de boîtiers de réception (10) espacés le long du câble et comportant chacun deux faces principales (11 a,11 b) sensiblement planes et parallèles, chaque boîtier étant disposé le long du câble de telle sorte que les faces principales soient parallèles à l'axe longitudinal du câble, au moins une paire de géophones (3a, 3b) positionnés dans chaque boîtier de telle sorte que leur axe de sensibilité maximale soit orthogonal aux faces principales, les géophones de ladite paire étant orientés selon des sens opposés. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel les géophones (3a, 3b) sont connectés de manière à ce qu'un seul signal soit émis par paire de géophone (3a, 3b). 3. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel les géophones (3a, 3b) sont montés en série. 4. Dispositif selon les revendications 1 à 3, dans lequel les géophones sont des géophones uni-axiaux. 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel il est 25 prévu dans une partie au moins des boîtiers au moins une seconde paire de géophones orientés en sens opposés. 6. Dispositif selon la revendication 5, dans lequel l'ensemble des géophones positionnés dans un boîtier sont montés en série. 7. Unité de réception destiné à l'acquisition de données sismiques au fond de la mer, comportant deux faces principales (11 a, 11 b) sensiblement 30planes et parallèles, et au moins une paire de géophones (3a, 3b) logés dans une enceinte placée entre les dites faces principales et disposés de telle sorte que leurs axes de sensibilité maximale soient parallèles et orthogonaux aux faces principales, lesdits géophones étant orientés selon des sens opposés. 8. Unité de réception selon la revendication 7, dans lequel les géophones sont montés en série. 9. Unité de réception selon l'une des revendications 7 et 8, comprenant en outre au moins une autre paire de géophones disposés de telle sorte que leurs axes de sensibilité maximale soient parallèles et orthogonaux aux faces principales, lesdits géophones étant orientés selon des sens opposés. 10. Procédé pour l'acquisition de données sismiques au fond de la mer, dans lequel on place au fond de la mer une paire de géophones (3a, 3b) montés en sens opposés de manière que les axes de sensibilité maximale des géophones soient sensiblement orthogonaux à la surface du fond de la mer. 11. Procédé selon la revendication 10, dans lequel les géophones (3a, 3b) sont connectés de manière à ce qu'un seul signal soit émis par paire de géophones.