CA2551502C

CA2551502C - Capteur sismique a fibre optique

Info

Publication number: CA2551502C
Application number: CA2551502A
Authority: CA
Inventors: Laurent Guerineau; Jean-Paul Menard; Sylvie Menezo; Mathieu Sanche; Hubert Dieulangard
Original assignee: Sercel SAS
Current assignee: Sercel SAS
Priority date: 2005-07-07
Filing date: 2006-07-04
Publication date: 2014-04-15
Anticipated expiration: 2026-07-04
Also published as: GB2428091A; CN1896700A; GB0613565D0; NO336778B1; FR2888339B1; GB2428091B; US20070008544A1; US7612886B2; CA2551502A1; CN1896700B; DE102006031068A1; FR2888339A1; NO20063089L

Abstract

L'invention concerne un capteur sismique à fibre optique (200) avec un coups d'épreuve (110), caractérisé en ce que le corps d'épreuve (110) comprend plusieurs coupelles (113, 114, 115, 116) distinctes réparties autour de la direction de l'axe sensible du capteur et deux pièces en forme d'étoile (120, 130) disposées de part et d'autre des coupelles (113, 114, 115, 116) et reliant mécaniquement lesdites coupelles (113, 114, 115, 116) entre elles.

Description

La présente invention concerne le domaine des capteurs sismiques à fibre optique.
Pius précisément, la présente invention concerne des capteurs sismiques à fibre optique de très grande sensibilité, basés sur une structure flextensionnelle.
La présente invention concerne en particulier des capteurs sismiques à fibre optique qui sont des capteurs de vibrations, type accéléromètre.
La présente invention s'applique en particulier au domaine de la prospection pétrolière et peut s'appliquer à tout domaine mettant en ceuvre des capteurs sismiques.
L'homme de l'art connaît de nombreuses réalisations de capteurs sismiques à fibre optique.
Les capteurs sismiques à fibre optique utilisent une méthode interférométrique pour interpréter les perturbations extérieures (pression, vibrations,...) appliquées à une fibre optique, perturbations correspondant à une grandeur à mesurer. Certaines propriétés de la fibre optique (indice et longueur) sont modifiées sous l'effet de ces grandeurs à mesurer. La modification de ces propriétés de la fibre optique produit des changements sur le temps de propagation des signaux optiques s'y propageant. Les changements de temps de propagation des signaux optiques, interprétés par une méthode interférométrique, sont ainsi représentatifs des perturbations des grandeurs à mesurer.
Certains de ces capteurs sismiques à fibre optique, basés sur la mesure de ia déformation et/ou sur le changement d'indice de la fibre optique, sont formés d'une fibre optique sensible aux grandeurs à
mesurer et soumise à ces grandeurs à mesurer soit directement soit indirectement au moyen d'un corps d'épreuve.
L'homme de l'art a proposé de nombreux corps d'épreuve pour transmettre les effets des grandeurs à mesurer à la fibre optique. Le document US 5369485 propose par exemple un capteur sismique à fibre optique comprenant une paire de fibres optiques sensibles, chacune de

2 ces fibres optiques étant fixée en spirale à plat sur un disque respectif.
L_es disques, formant un corps d'épreuve, sont élastiques de manière à
pouvoir transmettre, par leur déformation, les grandeurs à mesurer à la paire de fibres optiques. Dans ce type de capteur sismique, les fibres optiques, fixées directement au corps d'épreuve (disque) subissent une déformation directement liée à la déformation de ce corps d'épreuve, et s'avèrent peu sensibles. II a donc été proposé des capteurs sismiques à
fibre optique de plus grande sensibilité.
Ces capteurs sismiques à fibre optique de grande sensibilité sont le plus souvent formés d'un corps d'épreuve formant une structure flextensionnelle. Cette structure flextensionnelle comprend une première partie soumise à la grandeur à mesurer et une seconde partie, liée à la première partie, et qui est en contact direct avec la fibre optique Le document US 6049511 révèle un capteur sismique à fibre optique, et plus précisément un hydrophone (capteur de pression acoustique), dans lequel la structure flextensionnelle du corps d'épreuve permet de réaliser un amplificateur de force. Une pression appliquée sur la surface formant la première partie de cette structure transmet la déformation qu'elle subit à la seconde partie de la structure, sensiblement perpendiculaire à la première partie, par le biais d'un point d'appui. Cette seconde partie, en contact direct avec la fibre optique, est libre de tout déplacement et se déforme d'autant plus qu'elle éloignée du point d'appui.
Le document WO 2004/042425 révèle un capteur sismique à fibre optïque, et plus précisément un capteur de vibrations (accéléromètre) dans lequel la structure flextensionnelle du corps d'épreuve permet de réaliser un amplificateur de force. La première partie de cette structure, subïssant faction de la grandeur à mesurer, est constituée d'une pièce en forme d'ellipse. Une grandeur appliquée selon le petit axe de cette pièce en forme d'ellipse est transmise à une seconde partie de la structure constituée de deux pièces de formes arrondies qui sont respectivement disposées de part et d'autre du grand axe de la pièce en forme d'ellipse. Ainsi, ce capteur sismique permet une amplification de

3 la force appliquée par la grandeur à mesurer, correspondant au rapport des longueurs du grand axe et du petit axe de la piéce en forme d'ellipse. L'amplification de force ainsi générée produit une déformation plus importante de la fibre optique et donc une plus grande sensibilité.
Ces capteurs sismiques à fibre optique basés sur une structure fl'extensionnelle, permettent donc d'améliorer la sensibilité suivant l'axe sensible du capteur.
Toutefois, dans le cas d'un capteur de vibrations, bon nombre des réalisations proposées présentent des modes de vibration non désirés (parasites), selon des axes autres que l'axe sensible du capteur.
Les capteurs sismiques à fibre optique actuels, capteurs de pression et capteurs de vibration, doivent donc être améliorés car il subsiste un besoin pour un capteur sismique à fibre optique ultra sensible. En particùlier, pour les capteurs de vibrations, il subsiste un besoin pour un capteur présentant de plus une insensibilité aux modes de vibrations parasites.
Ce but est atteint dans le cadre de la présente invention grâce à un capteur sismique à fibre optique avec un corps d'épreuve, caractérisé en ce que le corps d'épreuve comprend plusieurs coupelles distinctes réparties autour de la direction de l'axe sensible du capteur et deux pièces en forme d'étoile disposées de part et d'autre des coupelles et reliant mécaniquement lesdites coupelles entre elles.
D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, et en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs et sur lesquels - Fig. 1 présente une vue en perspective d'un capteur de vibrations à fibre optique conforme à la présente invention ;
- Fig. 2 présente une vue de coupe du capteur de vibrations de la Fig. 1;
- Fig. 3 présente un schéma d'une pièce en forme d'étoile employée dans un capteur sismique conforme à la présente invention selon une vue correspondant à la vue de coupe de la Fig. 2;

4 - Fig. 4 représente en vue de coupe d'un capteur de vibrations conforme à la présente invention et muni de ressorts additionnels.
Les figures 1 et 2 présentent respectivement en vue de perspective et en vue de coupe (coupe A-A) un mode de réalisation préféré d'un capteur de vibrations 100 conforme à la présente invention. Ce capteur de vibrations 100 est constitué d'une embase 101 de section sensiblement circulaire. La largeur de l'embase 101 est adaptée pour assurer une bonne stabilité du capteur de vibrations 100 et est préférentiellement supérieure à la largeur du corps d'épreuve 110, Le corps d'épreuve 110 est préférentiellement symétrique de révolution par rapport à un axe z, correspondant à l'axe sensible du capteur. Le corps d'épreuve 110 comprend une masse sismique 111 du corps d'épreuve 110 de forme sensiblement cylindrique, des coupelles 113, 114, 115, 116 distinctes les unes des autres et réparties autour de fa masse sismique 111 et donc autour de la direction de l'axe sensible du capteur, une pièce en forme d'étoile 120 fixée sur les faces supérieures des coupelles 113, 114, 115, 116 et une pièce en forme d'étoile 130, de forme analogue à la pièce 120, et fixée sur les faces inférieures des coupelles 113, 114, 115, 116.
La pièce en forme d'étoile 120 est formée d'un plateau 121, appelé
plateau supérieur, et de lamelles 122, 123, 124, 125 appelées lamelles supérieures, par lesquelles la pièce en forme d'étoile 120 est fixée aux coupelles 113, 114, 115, 116. De manière analogue, la pièce en forme d'étoile 130 est formée d'un plateau 131 appelé plateau inférieur et de lamelles, appelées lamelles inférieures 132, 133, 135 qui sont en quantité égale aux lamelles supérieures (trois lamelles inférieures seulement sont visibles sur la i=Igure 2) et par lesquelles la piëce 130 est fixée aux coupelles 113, 114, 115, 116. De ce fait, les coupelles 113, 114, 115, 116 sont reliées mécaniquement entre elles aux moyens des pièces en forme d'étoile 120, 130 qui sont disposées de part et d'autre (partie inférieure et partie supérieure) desdites coupelles. Notons que sur la figure 2, la coupelle 116 et la lamelle inférieure 135 ne sont pas situées dans le plan de coupe A-A et à cet effet sont représentées avec des hachures.
La pièce en forme d'étoile 120 relie mécaniquement la masse sismique 111 aux faces supérieures respectives des coupelles 113, 114,

5 115, 116. Plus précisément, la pièce en forme d'étoile 120 relie mécaniquement la face supérieure de la masse sismique 111 aux faces supérieures respectives des coupelles 113, 114, 115, 116. A cet effet, le plateau supérieur 121 est fixé à la masse sismique 111 par tous moyens adaptés.
De manière analogue, la pièce en forme d'étoile 130 relie mécaniquement fa face inférieure des coupelles 113, 114, 115, 116 à
l'embase 101. Plus précisément, le plateau inférieur 131 et l'embase 101 sont i=Ixés l'un à l'autre par tous moyens adaptés.
Les lamelles supérieures 122, 123, 124, 125 et inférieures 131, 1:32, 135 (et la lamelle inférieure non représentée) sont fixées respectivement aux faces supérieures et inférieures des coupelles 113, 114, 115, 116 par tous moyens adaptés. A titre d'exemple non limitatif, des vis 141, 142, 143, 144 filetées à leurs extrémités inférieures pour recevoir un boulon 145, 146 peuvent être prévues.
Les coupelles 113, 114, 115, 116 et la masse sismique 111 sont sans contact direct de sorte que des vibrations axiales (c'est-à-dire selon la direction de l'axe sensible du capteur) captées par l'embase sont transmises transversalement aux coupelles 113, 114, 115, 116 par le biais des lamelles inférieures 132, 133 et supérieures 122, 123, 124, 125.
Chacune des coupelles 113, 114, 115, 116 est de forme arrondie sur' sa face radialement externe 113a, 114a, 115a, 116a au capteur. La fibre optique 200 est bobinée autour de ces coupelles 113, 114, 115, 116 et plus précisément en contact avec les faces 113a, 114a, 115x, 116a. La forme arrondie de ces faces radiafement externes 113a, 114x, 115a, 116a permet de minimiser les contraintes dans la fibre optique 200 dues au bobinage et de minimiser également les pertes optiques. La nature du matériau employé et l'état de surface des coupelles 113, 114,

6 115, 116 sont également adaptés pour minimiser les contraintes et les pertes optiques dans la fibre optique 200. Préférentiellement, les faces radialement externes 113a, 114x, 115a, 116a sont en forme de demi-cercles et les faces radialement internes des coupelles 113, 114, 115, 116 sont plates, les coupelles formant ainsi des demi-cylindres.
La figure 3 présente un schéma de la pièce 120 extrait selon la coupe A-A. Sur cette vue en coupe, on distingue deux lamelles supérieures 122 et 123 et le plateau supérieur 121 de la pièce 120. Plus précisément, une lamelle 122, 123 comprend une première partie horizontale (c'est-à-dire perpendiculaire à la direction de l'axe sensible du capteur, et de ce fait perpendiculaire à l'axe z) fixée à une coupelle et une seconde partie, inclinée (ou plan incliné) d'un angle A par rapport à la direction horizontale, qui relie le plateau 121 à la première partie horizontale.
Lorsqu'une force Fa, perpendiculaire au plateau supérieur 121 est appliquée sur ledit plateau 121, les lamelles transforment fa force Fa en une force Fb de composante horizontale et dont l'origine se situe au niveau des fixations entre les vis 141, 142 et les lamelles 122, 123 respectivement. Le rapport des forces Fb/Fa est proportionnel au rapport des longueurs b/a. Les longueurs a et b sont par exemple définies comme étant les longueurs respectives des côtés PzP3 et P1PZ
respectivement du triangle PlPzP3 rectangle Pz et dont fictif en l'hypotnuse correspond l'horizontale la partie incline par rapport de la lamelle est choisi de manireraliser 123. Le rapport un b/a amplificateur force, c'est--dire qui permet de avec b/a >
1, ce d'accentuer les dformations la fibre optique En d'autres de 200.

termes, le choix du rapport 1 est quivalent isir un b/a > cho angle d'inclinaison A strictement inférieur à 45°.
Dans le cas d'un capteur de vibrations, lorsque que le corps d'épreuve 110 est soumis à une vibration normale provenant de l'embase 101, un mouvement relatif entre la masse sismique 111 et l'embase 101 est induit. Ce mouvement relatif entre l'embase 101 et la masse sismique 111 est un mouvement dont la composante principale

7 est une translation d'axe z (axe sensible du capteur), facilitant l'écartement ou le rapprochement des coupelles 113, 114, 115, 116 selon une direction radiale et donc déformant la fibre optique 200.
Toutefois, il existe des modes de vibrations autres que le mode de vibrations principal, c'est-à-dire des modes de vibrations transversaux, qui peuvent s'avérer gênants.
La quantité de lamelles contenue dans une pièce en forme d'étoile 120, 130 n'est pas limitée au nombre de quatre tel que présenté sur les figures 1 à 5. II est tout à fait envisageable de prévoir dans le cadre de la présente invention de deux à une infinité de lamelles sur une pièce en forme d'étoile 120, 130 qui sont donc réparties autour de l'axe sensible du capteur (axe z) au sein du corps d'épreuve. Préférentiellement, les lamelles (comme les coupelles) sont équi-réparties autour de l'axe sensible du capteur, c'est-à-dire qu'elfes sont réparties selon un intervalle angulaire régulier, l'angle séparant deux lamelles (ou coupelles) successives valant 2~z/n, où n est le nombre de lamelles de la pièce en forme d'étoile (ou le nombre de coupelles). II peut cependant être envisagé que les lamelles (comme les coupelles) ne soient pas équi-réparties autour de l'axe sensible du capteur.
Cependant, il s'avère qu'un nombre de lamelles par pièce en forme d'étoile 120, 130 d'au moins quatre est nécessaire pour que les modes de vibration parasites du capteur affectent peu la qualité de la mesure faite selon le mode de vibration principal (qui s'effectue selon l'axe sensible du capteur, qui correspond à l'axe z).
De manière générale, en utilisant des pièces en forme d'étoile 120, 130 plus le nombre n de lamelles augmente, plus le capteur se symétrise et s'assaini, et plus le capteur est insensibilisé aux modes de vibration parasites. Dans le cas d'un capteur de vibrations, le capteur ne rée>ond alors qu'au mode de vibration principal qui est le mode voulu.
De manière générale également, en utilisant des pièces en forme d'étoile 120, 130, plus le nombre n de lamelles augmente, plus fa déformation de la fibre optique 200 augmente (pour une force identique), ce qui augmente la sensibilité du capteur sismique. En outre, ô
plus le nombre de lamelles augmente, plus les coupelles sont proches, ce qui facilite le bobinage de la fibre optique 200 et permet d'obtenir plus facilement une force de pré-tension constante sur toute la longueur de la fibre optique 200.
II est représenté sur la figure 6 des moyens aptes à augmenter l'insensibilité transversale du capteur. La figure 6 présente une vue de coupe d'un capteur de vibrations conforme à la présente invention et dans lequel les moyens aptes à augmenter l'insensibilité transversale du capteur sont des ressorts additionnels 410, 420. En effet, il peut être envisagé, dans le cas d'un capteur de vibrations, de prévoir un premier ressort additionnel 410 situé à la base de la masse sismique 111 et/ou un second ressort additionnel 420 situé quant à lui sur le haut de la rnasse sismique 111.
Plus précisément, le premier ressort additionnel 410, de forme sensiblement circulaire, est fixé en son centre 411 à l'embase 101 du capteur. Le centre 411 du premier ressort additionnel 410 est sans contact avec la masse sismique 111, une cavité 112 étant prévue à cet effet dans la masse sismique 111. En revanche, la périphérie 412 du ressort 410 est fixée à la masse sismique 111. La masse sismique 111 et le premier ressort additionnel 410 sont en contact uniquement au niveau de la périphérie 412 du ressort 410.
Le second ressort additionnel 420 est fixé uniquement en son centre 421 sur le plateau supérieur 121 de la pièce en forme d'étoile 120, cette pièce 120 étant elle-même fixée à la masse sismique 111. Ce ressort 420 est de plus fixé, uniquement par sa périphérie 422, à un couvercle 104 qui est solidaire de l'embase 101 du capteur.
Ces ressorts 410 et/ou 420 augmentent l'insensibilité transversale du capteur en ce sens qu'ils permettent de guider le corps d'épreuve 110 selon la direction de l'axe sensible du capteur (axe z). Ces ressorts présentent en effet une raideur faible selon une direction choisie, en l'occurrence la direction de l'axe sensible du capteur, et une raideur élevée selon toutes les autres directions radiales du fait de leur forme sensiblement circulaire.

Quand le corps d'épreuve 110 est soumis à une vibration normale provenant de l'embase 101, le mouvement relatif induit entre la masse sismique 111 et l'embase 101 n'est pas influencé par les ressorts additionnels 410, 420, ceux-ci ayant une raideur faible selon la direction de !'axe sensible du capteur. En revanche, lorsque le corps d'épreuve :110 est soumis à des vibrations transversales c'est-à-dire dirigées selon une direction différente de la direction de l'axe sensible du capteur, les ressorts additionnels 410, 4Z0 ont pour but d'apporter une raideur radiale qui va minimiser les déplacements transversaux de la masse sismique 111. De ce fait, la fibre optique ne subit pas ou peu de variation de longueur en raison de ces vibrations transversales.
L'influence des modes de vibration transversaux est diminuée é vitant ainsi qu'une vibration parasite, transversale à la direction de l'axe sensible, ne soit transmise à la masse sismique 111.
Quand ces ressorts sont mis en ceuvre, le capteur de vibrations doit prévoir un couvercle. L'usage de tels ressorts pour mettre en ouvre l'invention n'est pas obligatoire. De plus, en l'absence de tels ressorts 410, 4Z0 le capteur de vibrations peut comprendre ou ne pas comprendre un couvercle.
Typiquement, dans le cadre d'applications sismiques, un capteur de vibrations conforme à la présente invention est un accéléromètre.

Claims

1. Capteur sismique à fibre optique (200) avec un corps d'épreuve (110), caractérisé
en ce que le corps d'épreuve (110) comprend plusieurs coupelles (113, 114, 115, 116) distinctes réparties autour de la direction de l'axe sensible du capteur et deux pièces en forme d'étoile (120, 130) disposées de part et d'autre des coupelles (113, 114, 115, 116) et reliant mécaniquement lesdites coupelles (113, 114, 115, 116) entre elles.

2. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une masse sismique (111).

3. Capteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la fibre optique (200) est bobinée autour des coupelles (113, 114, 115, 116).

4. Capteur selon la revendication 2 ou la revendication 3 lorsqu'elle dépend de la revendication 2, caractérisé en ce que la pièce en forme d'étoile (120) comprend un plateau supérieur (121) relié mécaniquement à une face supérieure de la masse sismique (111) et plusieurs lamelles supérieures (122, 123, 124, 125) qui sont chacune fixée à une face supérieure d'une coupelle (113, 114, 115, 116) respective.

5. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la pièce en forme d'étoile (130) comprend un plateau inférieur (131) fixé à la face supérieure d'une embase (101) et plusieurs lamelles inférieures (132, 133, 135) qui sont chacune fixée à la face inférieure d'une coupelle (113, 114, 115, 116) respective.

6. Capteur selon la revendication 5 lorsqu'elle dépend de la revendication 4, caractérisé en ce que les lamelles supérieures (122, 123, 124, 125) et les lamelles inférieures (132, 133, 135) comprennent chacune un plan incliné par rapport à
la direction horizontale d'un angle A strictement inférieur à 45°.

7. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les coupelles (113, 114, 115, 116) ont une face externe (113a, 114a, 115a, 116a) de forme arrondie.

8. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les coupelles (113, 114, 115, 116) forment des demi cylindres.

9. Capteur selon la revendication 2 ou l'une quelconque des revendications 3 à

lorsqu'elles dépendent de la revendication 2, caractérisé en ce que les coupelles (113, 114, 115, 116) sont disposées autour de la masse sismique (111).

10. Capteur selon la revendication 9, caractérisé en ce que la masse sismique (111) est de forme sensiblement cylindrique, l'axe du cylindre ainsi défini étant confondu avec l'axe sensible du capteur.

11. Capteur sismique selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé
en ce que les coupelles (113, 114, 115, 116) sont disposées à intervalles angulaires réguliers autour de la direction de l'axe sensible.

12. Capteur selon l'une quelconque des revendications 7 à 10 lorsqu'elles dépendent de la revendication 2 et les revendications 5 ou 6, caractérisé en ce qu'il comprend un premier ressort additionnel (410), disposé à la base de la masse sismique (111) et en contact avec cette masse sismique (111) uniquement par sa périphérie (412), et en contact avec l'embase (101) uniquement par son centre (411) par lequel il est fixé à
l'embase (101).

13. Capteur selon la revendication 2 et la revendication 5 ou 6, ou la revendication 5 ou 6 et l'une quelconque des revendications 3, 4 et 7 à 12 lorsqu'elles dépendent de la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend un second ressort additionnel (420), disposé en haut de la masse sismique (111) et fixé à cette masse sismique (111) uniquement au niveau de son centre (421), et fixé uniquement par sa périphérie (422) à un couvercle (104) solidaire de l'embase ( 101) du capteur.

14. Capteur selon la revendication 13 lorsqu'elle dépend de la revendication 4, caractérisé en ce que le second ressort additionnel (420) est fixé sur le plateau supérieur (121) de la pièce en forme d'étoile (120), le second ressort additionnel (420), le plateau supérieur (121) et la masse sismique (111) étant fixés ensemble.

15. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, caractérisé en ce qu'il est un capteur de vibrations.

16. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 15, caractérisé en ce qu'il est un accéléromètre.