FR2765447A1 - Antenne d'emission acoustique pour prospection sismique sous-marine - Google Patents

Abstract

L'invention concerne les dispositifs permettant d'émettre acoustiquement vers le fond de la mer.Elle consiste à répartir sur un câble (404) suspendu verticalement un ensemble de transducteurs électroacoustiques (403) dédiés chacun à une fréquence du spectre de l'impulsion à émettre. Ces transducteurs sont fixés au câble à des emplacements tels que l'onde émise vers le fond de la mer est en phase avec l'onde réfléchie sur la surface de la mer. La superposition de ces différents signaux élémentaires reconstitue une impulsion unique de forte puissance.Elle permet de remplacer les dispositifs dits " air-guns " pour la prospection pétrolière.

Description

La présente invention se rapporte aux antennes d'émission acoustiques qui permettent d'émettre dans le sein de la mer des signaux acoustiques destinés à pénétrer dans les fonds sous-marins afin de déterminer la structure de ce site, en particulier pour y repérer la présence éventuelle de pétrole.

II est courant d'effectuer de la prospection pétrolière en mer en immergeant à faible profondeur une ou plusieurs sources acoustiques et en utilisant des antennes acoustiques linéaires remorquées tractées derrière un bateau. Ces antennes acoustiques linéaires sont essentiellement formées d'un câble creux dans lequel sont enfermés des hydrophones répartis le long de ce câble. Le bâtiment tracteur entraîne ces antennes à une vitesse relativement lente, de l'ordre de 5 noeuds de maniére à acquérir correctement les signaux.

Les signaux acoustiques correspondant à ces sources se dirigent vers le fond marin, à l'intérieur duquel elles pénètrent. Elles sont alors réfléchies comme en prospection terrestre par les couches du soussol puis repassent dans l'eau et sont détectées par les hydrophones des antennes linéaires acoustiques. Le fond de la mer se comporte alors comme une interface supplémentaire par rapport aux interfaces entre les différentes couches du sous-sol. L'interface supplémentaire a simplement des caractéristiques plus prononcés que les autres, en particulier une rupture d'impédance nettement plus grande.

Du fait de cette rupture d'impédance importante, ce sont essentiellement les composantes basses fréquences de l'onde de choc qui pénètrent efficacement dans le fond sous-marin, cependant avec un rendement relativement faible. Ce phénomène est identique lors de la retraversée des ondes entre le fond marin et l'eau avant d'atteindre les hydrophones.

Le rendement global étant ainsi relativement faible on est amené à utiliser des sources acoustiques de puissance très importante.

Jusqu'à présent les seules sources donnant satisfaction sont des dispositifs connus sous le nom de canons à air ( air-guns en anglais ). Ces dispositifs ne sont pas très satisfaisants parce qu'ils sont lourds et encombrants et qu'ils nécessitent une alimentation à air comprimé depuis le bateau remorqueur.

En outre l'onde de choc provoquée par le fonctionnement d'un tel dispositif se propage de façon quasi omnidirectionnelle. II en résulte que seule la faible partie dirigée vers le fond sous-marin est utile. En outre la partie dirigée vers la surface se réfléchit sur celle-ci et vient perturber la partie utile de l'impulsion.

Pour remédier à ces inconvénients, on a proposé différents systèmes. En particulier un brevet US 4 632 213 délivré le 30 décembre 1986 au nom de Samuel N. Domenico propose d'envelopper le canon à air d'une série de tubes concentriques qui forment l'enveloppe d'un paraboloïde, Ces tubes sont munis de perforations par lesquelles on injecte de l'air. Le mélange d'eau et d'air forme une discontinuité réfléchissante qui à la forme du paraboloïde enveloppe des tubes. On obtient ainsi l'effet d'un miroir réfléchissant qui concentre vers le fond de la mer l'onde de choc émise. Toutefois ce dispositif est manifestement compliqué, ce qui aggrave encore les difficultés de mise en oeuvre. On constate en particulier que ce brevet n'envisage que l'utilisation à poste fixe à partir d'une plate forme de forage. En effet si l'on envisage de remorquer un tel dispositif à l'arrière d'un bateau, comme c'est fréquemment le cas pour les canons à air utilisés de manière classique, on éprouverait non seulement de grosses difficultés de mise en oeuvre, mais le mouvement relatif de l'eau par rapport au dispositif viendrait perturber considérablement la forme de la couche émulsionnée formant réflecteur, ce qui nuirait gravement aux performances de l'ensemble.

Pour pallier ces difficultés, I'invention propose un dispositif selon les revendications annexées.

D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront clairement dans la description suivante, faite à titre d'exemple non limitatif en regard des figures annexées qui représentent
- la figure 1, un schéma de principe de l'émission d'une source unique immergée;
- la figure 2, un schéma de principe de l'émission d'un ensemble de sources immergées;
- la figure 3, un diagramme général d'émission d'une antenne selon l'invention;
- la figure 4, une vue en coupe schématique d'un dispositif selon une première réalisation de l'invention; et
- la figure 5, une vue en coupe d'un dispositif selon une deuxième réalisation de l'invention;
Dans le schéma de principe représenté sur la figure 1, limité à une seule source, une source acoustique 101 est immergée à une profondeur zj en dessous du niveau de la mer 102. Cette source comporte un transducteur électroacoustique du type moteur vibrant. Ce moteur peut être réalisé par tout moyen connu dans l'art, par exemple avec des organes piézo-électriques, électrodynamiques classiques ou à réluctance variable. L'essentiel est de pouvoir reproduire facilement toutes les formes d'ondes souhaitables en basse fréquence.

La source 101, que nous appellerons Si émet alors une onde acoustique monochromatique à la fréquence fi correspondant à une pulsation oi et à une longueur d'onde:
c C (1)
2fi
En tout point, le champ acoustique créé par cette source sera obtenu par la superposition de deux ondes:
I'onde directe donnée par A; cosco, (2 > et l'onde réfléchie donnée par: Ai os ((tout + f ZiS 1i) (3)

Le terme en z correspond à l'inversion de phase due à la réflexion sur la surface de la mer.

L'invention propose de placer la source Si à une profondeur z permettant d'obtenir la remise en phase de ces deux ondes, ce qui revient à dire que cette phase doit prendre une valeur égale à 2kx.

En exprimant cette condition par rapport à l'immersion z1 celleci est donnée par: L (2k + 1) (5)
4 et dans le cas le plus simple où k = O zi = (6)
4
De manière connue, L'émission d'une impulsion brève formant une onde de choc correspond à l'émission simultanée d'un ensemble, en principe infini, d'ondes de fréquences pures de faible niveau dont les fréquences s'étalent de O à l'infini en principe.

Dans la pratique, et compte tenu de ce que l'impulsion ne sera pas infiniment raide et que les hautes fréquences sont rapidement absorbées par l'eau, on peut se contenter d'émettre un nombre discret de fréquences monochromatiques séparées les unes des autres d'une valeur finie et dont la valeur la plus haute n'est pas excessive.

Pour émettre ces fréquences pures, on utilisera suivant l'invention un ensemble de sources respectivement dédiées à chacune de ces fréquences et immergées à des profondeurs différentes permettant de respecter pour chaque source la relation (6).

On peut optimiser le plan de fréquences ainsi utilisé de différentes manières.

Chaque source émet une fréquence fi associée à une bande de fréquence Af telle que la fréquence de référence immédiatement supérieure fj+l soit égale à fi + Afi. Le coefficient de surtension Q de chaque source est égal à fi/Afi, soit: fj+1 = fi < 1 +1/Q).

Dans ces conditions, si l'on souhaite pouvoir émettre sur une bande de fréquence allant de fo à fn, la bande émise est donnée par
B = fn-fo = f0 [(1 + 1/Q)n-1] (7)
Donc à partir d'une bande passante B et d'un facteur de surtension Q donnés, on obtient le nombre n de transducteurs à utiliser à partir de la formule (7).

La valeur de Q sera déterminée par exemple en imposant à la somme de l'onde directe et de l'onde réfléchie une atténuation maximale donnée, à la fréquence fi + Afi/2 par rapport à la fréquence centrale fi.

Dans un exemple numérique correspondant à des valeurs couramment utilisées, on veut pouvoir émettre dans une bande de 5 à 100 Hz avec un facteur de surtension variant entre 5 et 10.

Dans ces conditions extrêmes on obtient pour ces deux valeurs, n = 15 sources pour Q = 5, et n = 27 sources pour Q = 10.

Les transducteurs correspondants sont alors fixés, comme représentés sur la figure 2, à un câble électroporteur 201 qui permet à la fois d'assurer le positionnement correct de ces transducteurs et leur alimentation par les signaux adéquats.

Ce câble électroporteur est suspendu dans l'eau à partir d'un bâtiment non représenté, et les n sources 101 à 10n correspondant aux fréquences fo à fn sont situées à des immersions zo à zn qui suivent une progression géométrique.

Dans le cas où Q = 5, la répartition des fréquences et des immersions en fonction de la source est donnée par le tableau suivant

<tb> S <SEP> f(Hz) <SEP> Z(m) <SEP>
<tb> S1 7,0 53,0
S2 8,4 44,6
S3 10,1 37,0
S4 12,1 30,9 S5 14,52 25,79
S6 17,42 21,5
S7 20,9 17,9
S8 25,08 14,9
S9 30,10 12,4 S10 36,12 10,3 S11 43,34 8,64 S12 52,01 7,2 S13 62,41 6,0
S14 74,9 5,0
S15 89,9 4,17
De manière connue, le diagramme de directivité d'une telle antenne est celui d'un dipôle dont les sources sont distantes de X quel que soit #. Ce diagramme est représenté sur la figure 3 et l'intensité D dans la direction e est donnée par la relation
D(0) = 2A cos [= sin #] (8) dans laquelle A est un facteur de proportionnalité.

On constate donc que cette directivité ne dépend pas de la fréquence et est constante quelle que soit la fréquence émise dans toute la bande.

En outre l'ouverture à moins 3 décibels est de 30 degrés, ce qui correspond à un gain de 16 décibels par rapport à une source omnidirectionnelle.

Ces résultats supposent bien entendu que chaque source soit dimensionnée pour obtenir le même niveau sonore quelle que soit la fréquence d'émission à laquelle elle est utilisée.

L'alimentation de toutes ces sources peut se faire de différentes manières:
Une première méthode consiste à utiliser un code long correspondant à une modulation de fréquence (linéaire ou hyperbolique).

Pour cela, on part d'un générateur délivrant une fréquence correspondant à cette modulation et on applique celle-ci, par l'intermédiaire d'un ensemble d'amplificateurs de puissance distincts pour chaque source, à chacune de ces sources successivement pendant la durée où la fréquence délivrée correspond à la bande passante de la source sélectionnée. De manière connue, I'utilisation d'un tel code long nécessite à la réception un filtre adapté.

Une deuxième méthode consiste à appliquer aux différentes sources des impulsions courtes de fréquence correspondant à la fréquence pour laquelle la position de cette source a été calculée.

Comme ces sources sont espacées les unes des autres, pour que la superposition des signaux acoustiques entraîne la synthèse d'une impulsion courte, I'alimentation de ces différentes sources se fait avec un retard temporel correspondant aux trajets des ondes acoustiques entre les sources, ce qui revient à effectuer une synthèse temporelle. On peut ainsi obtenir des impulsions dont la largeur ne dépasse pas la valeur 1/B et dont les lobes secondaires peuvent etre contrôlés électriquement en pondérant les niveaux des signaux appliqués.

Lorsque chacune de ces sources émet un signal de durée T,
I'énergie émise est alors proportionnelle au produit NxT et elle peut donc être alors plus importante que celle émise par un dispositif de type airgun dont la durée d'émission est relativement courte et ne peut pas être prolongée.

On peut utiliser différentes solutions pour régler le problème d'alimentation des transducteurs, ainsi que le problème de la mise à l'eau et du relevage de ladite antenne.

Dans un premier mode de réalisation, représenté sur la figure 4, on utilise un flotteur 401 qui flotte sur la surface 402 de la mer en supportant l'antenne. Celle-ci est composée d'un ensemble de conteneurs 403 fixés sur un câble électroporteur 404 à des emplacements déterminés par la méthode de calcul décrite plus haut.

En position déployée, ce câble avec les conteneurs qui sont fixés dessus pend verticalement en dessous du flotteur auquel il est accroché par un système de verrouillage 405 fixé à la surface supérieure de ce dit flotteur. Du côté aval de ce système de verrouillage, le câble 404 vient reposer sur une poulie 406 d'axe horizontal à partir de laquelle il pend vers le fond de la mer en traversant un puits 407 vertical aménagé dans le corps du flotteur.

Du côté amont du système de verrouillage 405, le câble repart vers le bateau remorqueur, auquel il est accroché. La résistance de ce câble est prévue pour pouvoir non seulement supporter les conteneurs 403, mais également pour résister aux efforts de traction depuis le bateau.

Chacun des conteneurs 403 contient d'une part le transducteur électroacoustique destiné à émettre la fréquence correspondant à l'endroit où est accroché le conteneur, et d'autre part les moyens électroniques, en particulier l'amplificateur de puissance et les organes de commande, permettant d'alimenter ce transducteur avec les signaux nécessaires.

Dans ce mode de réalisation, le câble 404 peut donc être simplement bifilaire au point de vue électrique et ne transporter que la puissance d'alimentation nécessaire aux organes contenus dans les conteneurs. La mise en route des organes de commande, ainsi que leur synchronisation dans les différents conteneurs pourra se faire avec un signal de synchronisation très simple pouvant être superposé au signal d'alimentation, ou bien par d'autres moyens connus dans l'art, comme par exemple à l'aide d'un signal acoustique de télécommande émis depuis le bateau tracteur.

Lorsque l'antenne n'est pas utilisée, on enroule le câble 404 sur un treuil situé sur le bâtiment porteur en déverrouillant les moyens de verrouillage 405.

L'ensemble de l'antenne remonte alors en traversant le puits 407 et en venant tourner autour de la poulie 406. Un organe de blocage non représenté, par exemple un crochet adéquat fixé sur le dernier conteneur, permet de remonter à la fin de l'opération le flotteur sur le bateau.

Dans un deuxième mode de réalisation, représenté sur la figures 5, on utilise un caisson 501 flottant sur la surface de la mer 502 et dans lequel sont enfermés tous les organes électroniques, notamment les amplificateurs de puissance et la logique de commande.

Ceci permet de limiter la taille des conteneurs 503 accrochés le long d'un câble vertical 504, en n'enfermant dans ces conteneurs que les transducteurs électroacoustiques, ce qui réduit le poids de l'antenne et sa traînée.

Les conteneurs sont alors assez petits pour que l'ensemble câble 504/conteneur 503 puisse être enroulé sur le tambour d'un treuil 506 logé dans une cavité interne 507 du flotteur 501. Ce treuil est entraîné par un motoréducteur 505 qui permet la descente et la remontée de l'antenne.

Ce tambour est étanche et creux, ce qui permet de placer dans son intérieur toute l'électronique 508, amplificateurs de puissance, générateurs de fréquences, logique de commande, etc
Dans cette réalisation, est nécessaire que le câble contienne autant de conducteurs d'alimentation des transducteurs électroacoustiques qu'il y a de conteneurs 503. L'augmentation consécutive des dimensions du câble est compensée par la diminution du nombre des brins de ce câble destinés à supporter les conteneurs, puisque ceux-ci sont plus légers.

L'alimentation électrique arrive depuis le bateau porteur par un câble 514, qui peut être simplement bifilaire et qui est relié aux organes contenus dans le tambour 506 par l'intermédiaire d'un joint tournant 509.

Comme il n'y a que deux connexions à faire passer par ce joint tournant, celui-ci peut être simple et donc robuste.

Un câble de traction 524 permet de remorquer le caisson 501.

A titre de variante, on peut utiliser un câble électrotracteur unique permettant à la fois le remorquage et l'alimentation électrique de l'ensemble contenu dans le tambour du treuil.

Claims (4)

REVENDICATIONS

1. Antenne d'émission acoustique pour prospection sismique sous-marine, du type comprenant un flotteur destiné à flotter sur la surface de la mer (402), un câble (404) suspendu verticalement sous ce flotteur, et un ensemble de sources acoustiques fixées sur ce câble, caractérisée en ce que ces sources acoustiques sont des transducteurs à moteur vibrant et en ce que ces transducteurs sont fixés (403) à des emplacements tels que l'onde acoustique émise vers le fond de la mer soit en phase avec l'onde acoustique réfléchie par la surface de la mer vers le fond de celle-ci.

2. Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que les emplacements de fixation des transducteurs électroacoustique (403) sont choisis pour permettre de reconstituer une impulsion acoustique par superposition des ondes acoustiques émises par ces transducteurs.

3. Antenne selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce qu'elles comporte un ensemble de conteneurs (403) fixé sur le câble (404) aux emplacements déterminés pour la fixation des transducteurs électroacoustiques et contenant lesdits transducteurs électroacoustiques et leurs moyens électroniques associés, que le câble (404) est électroporteur avec une partie électrique ne comportant que des organes permettant d'alimenter en puissance l'ensemble des conteneurs, que le flotteur (401) comporte un puits de taille suffisante pour laisser passer les conteneurs et dans lequel coulisse le câble, une poulie de renvoi (406) supportant ledit câble, et des moyens de verrouillage (405) pour immobiliser le câble.

4. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que le câble (504) est un câble électroporteur muni d'un ensemble de conducteurs destinés à alimenter séparément chacun de ces transducteurs (503), que le flotteur (501) comprend une cavité (507) dans laquelle est fixé un tambour creux (506) et étanche permettant d'enrouler ledit câble muni des transducteurs, que la cavité interne de ce tambour renferme les organes électroniques (507) d'alimentation des transducteurs par l'intermédiaire du câble électroporteur, qu'il comprend un joint tournant permettant de relier ces organes électroniques à un câble d'alimentation en énergie électrique (514) destiné à être relié à un bateau tracteur, et qu'il comprend un motoréducteur (505) permettant de faire enrouler le câble muni de ses transducteurs sur ledit tambour étanche.