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L'invention a pour objet une méthode et un dispositif
d'exploration sismique comportant l'émission dans des formations
souterraines de suites d'impulsions sismiques réparties dans le temps
de façon irrégulière.
Plus particulièrement L'invention concerne une méthode et
un dispositif de prospection sismique permettant de repérer la
position des discontinuités du sous-sol par exemple, par une
exploitation du bit de signe associé aux ondes captées après leur
propagation par un système de réception et d'acquisition placé en
surface ou dans un puits à la suite de l'émission d'une telle suite
d'impulsions acoustiques.
La méthode et le dispositif selon l'invention conviennent
en particulier pour des opérations de prospection sismique terrestre
autour d'un puits en cours de forage pour restituer la position de
réflecteurs souterrains, si l'on utilise un outil de forage produisant
des impulsions sismiques au caurs de son avancement dans les terrains
traversés, tel qu°un tricône conventionnel.
Les méthodes de prospéction sismique comportent
généralement l'émission dans les formations à explorer; d'ondes
sismiques sous forme de vibrations ou d'impulsions brêves, la
réception des ondes qui se sont propagées dans le sous-sol part, un
ensemble de réception comportant une pluralité de capteurs,
l'enregistrement des ondes captées et une série de traitements
destinés à améliorer la lisibilité des coupes sismiques réalisées à
partir de ces enregistrements.
Par les brevets FR 1 584 951; U5 2 933 144 et 4 207 619 ou
la demande PCT W085/05696 notamment, on tonnait des méthodes où les
ondes sismiques sont émises par une source progressant avec un outil
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de forage et sont reçues par un ensemble de capteurs disposés en
surface. Cette ondes peuvent être produites par le trépan de forage
lui-même au contact des roches à forer ou résulter d'impacts appliqués
au trépan de forage durant son avancement ou bien encore une source
vibrante intercalée sur la colonne de forage.
Une méthode de traitement classique consiste (par une
opération dite de cross-correlation) à corréler chaque trace sismique
obtenue, dans son entier avec le signal émis également dans son entier
puis, par empilement (ou stacking), à la combiner avec d'autres traces
également corrélées et se rapportant à des points de réflexion communs
CCDP). '
Par les brevets US 4 058 791, 4 346 461 ou 4 543 632 par
exemple, on connait des applications à la prospection sismique d'un
même principe général. Selon ce principe, les opérations de traitement
précédentes sont effectuées à partir de signaux réduits à leurs signes
par écrêtement ou "clipping". Les signaux émis sont des vibrations de
Longue durée dont la fréquence varie de façon uniforme à l'intérieur
d'un spectre de fréquence défini, soit de façon uniforme, soit suivant
un code pseudo-aléatoire. les signaux sont émis par une source
vibrante disposée à la surfàce du sol ou bien remorquée derrière un
navire dans le cadre d'opérations de prospection sismique en mer. Les
méthodes sismiques impliquant la sélection et le traitement du seul
bit de signe sont avantageuses car on restreint considérablement le
volume de données à traiter et l'on peut de ce fait multiplier le
nombre de capteurs et de voies d'acquisition sismiques. Cependant, ces
méthodes antérieures ne sont pleinement efficaces qu°avec des sources
vibrantes particulières.
La méthode d'exploration sismique selon l'invention peemet
l'application de ce même principe à des sources acoustiques ou
Sismiques impulsionnelles. ELIe est caractérisée en ce qu'elle
comporte en combinaison
- l'émission d'une suite irrégulière de signaux sismiques
impulsionnels;
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- la réception des si.c~naux sismiques;
- le découpage du spectre de fréquence des signaux reçus
et des signaux impulsionnels émis en plusieurs bandes de
fréquence;
- dans chacune desd.it:es bandes ainsi formées, la réduction
des signaux reçus en séquences de signaux élémentaires
indicatifs de leurs signes respectifs ou bits de signe;
- dans chacune desdites bandes de fréquence également, la
réduction des signaux impulsionnels émis à des séquences
de signaux élémentaires indicatifs de leurs signes
respectifs ou bits de signe;
- la corrélation dans chaque bande de fréquence des
signaux élémentaires associés respectivement aux signaux
émis et reçus; et
- le filtrage des signaux résultent des corrélations
effectuées dans chacune desdites bandes de fréquence par
des filtres de bande passante adaptée.
La méthode peut comporter en outre la sommation
après filtrage des signaux résultant des différentes
corrélations effectuées. Suivant un mode de réalisation
particulier on effectue avant ladite sommation une
adaptation des signaux.
Suivant un mode de réalisation, l'émission
irrégulière de signaux sismiques impulsionnels est réalisée
par exemple au moyen d'un outil de forage au cours de son
avancement dans un puits et les signaux sismiques sont
reçus par des capteurs sismiques répartis de manière à
obtenir une restitution en deux ou trois dimensions de la
zone explorée.
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Les capteur:> sismiques sont disposés par exemple
à la surface du sol. autour du puits foré ou bien encore
dans un puits.
De préférence, suivant une autre réalisation,
l'émission irrégulièrf=_ de signaux sismiques impulsionnels
est réalisée au moyen d'une source disposée à la surface du
sol ou à son voisinage.
De préférence, suivant une réalisation, l'émis
sion irrégulière de signaux impulsionnels consiste en une
suite d'impulsions à. répartition aléatoire ou pseudo
aléatoire.
Le dispositif d'exploration sismique du sous-sol
selon l'invention comporte une source sismique émettant des
impulsions, un
~~~~rr
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système de réception sismique pour capter les ondes et un laboratoire
central de commande et d'enregistrement. Il est caractérisé en ce que
- la source sismique est adaptée à émettre une suite irréguli?re
d'impulsions sismiques;
- le système de réception comporte un ensemble de capteurs et des
premiers moyens de filtrage pour séparer en plusieurs bandes de
fréquence adjacentes le spectre des signaux reçus par chaque
capteur, et des premiers moyens d'écrêtage pour réduire chaque
signal constitutif en un signal élémentaire indicatif de son signe à
chaque instant ou bit de signe;
- la source sismique est associée à des deuxièmes moyens de filtrage
pour séparer en plusieurs bandes de fréquence adjacentes identiques
à celles des premiers moyens de filtrage, le spectre des signaux
émis par la source, et des deuxièmes moyens d'écrëtage pour réduire
chaque signal constitutif issu des deuxièmes moyens de filtrage en
un signal élémentaire indicatif de son signe à chaque instant ou bit
de signe;
- le laboratoire central comprend un ensemble de traitement comportant
des moyens pour corréler les signaux élémentaires respectifs issus
des premiers et des deuxièmes moyens d'écrêtage, des moyens de
filtrage numérique pour filtrer dans chacune desdites bandes de
fréquence les signaux issus des moyens de corrélation et des moyens
pour sommer séparément pour chacun des capteurs, les signaux
corrélés en relation avec une même position de la source.
La source sismique est par exemple un outil de forage
entrainé en rotation, et le système de réception comporte par exemple '
une pluralité de capteurs disposés au voisinage du puits en cours de
forage. Ce outil de forage peut être par exemple associé à des moyens
hydrauliques pour lui appliquer des contraintes verticales
intermittentes.
Le systéme de réception comporté par exemple dés appareils
d'acquisition reliés au laboratoire centraC par des moyens de
transmission, pour collecter chacun les signaux reçus par plusieurs
capteurs, chaque appareil d'acquisition étant pourvu de premiers
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moyens de filtrage et de premiers moyens d'écrêtage, le
laboratoire central comportant des moyens d'enregistrement
pour mémoriser lesdits signaux élémentaires transmis par
les appareils d'a~~quisition et un calculateur pour
effectuer lesdites corrélations et lesdites sommations.
Chaque appareil d'acquisition peut comporter en
outre des moyens de mémorisation temporaire desdits signaux
élémentaires.
De préférence, suivant un autre mode de
réalisation, l'émission d'une suite aléatoire de signaux
sismiques impulsionnels est réalisée au moyen d'une :source
disposée à la surface. du sol ou à son voisinage.
La méthode et le dispositif selon l'invention permettant
l'application à des émissions impulsionnelles du principe général de
traitement impliquant la conservation et le traitement du seul bit de
signe des signaux reçus, rendent donc possible des opérations de
prospection sismique en =iD par exemple durant un forage avec le
déploiement d'un très grand nombre de capteurs et de voies
d'acquisition dans des conditions économiques favorables.
Par la méthode selon l'invention on peut produire dans des
conditions avantageuses des images en 3D par exemple avec une
résolution analogue à celle offerte généralement par les méthodes
classiques mais dans des conditions plus avantageuses. Ceci tient au
fait que l'information numérisée est trés réduite si on la compare à
celle qui est necessaire dans les méthodes classiques procèdant à une
numérisation à pleine précision, du fait que le nombre de bandes de
fréquence subdivisant la bande sismique est dans la pratique
relativement faible.
D'autres caractéristiques et avantages de la méthode et du
dispositif selon L'invention apparaitront mieux à la lecture de la
description ci-après de modes de réalisation décrits à titre
3 0 d'exemples non Limitatifs, en se référant aux dessins annexés où
- la Fig.1 montre de façon schématique un système d'émission-réception
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sismique dans le cas où l'émission d'impulsions sismiques est
réalisée par un outil de forage;
- la fig.2 montre un e~:emple de système de réception adapté à de la
prospection sismique en 2D ou 3D;
~~~~~~'~
- la Fig.3 est un schéma synoptique du dispositif selon l'invention;
- la Fig 4 montre un schéma synoptique de L'ensemble d= traitement
inclus dans le dispositif et qui procède au traitemen: ~es données
réduites à leurs bits de signe; et
- les Fig.S et 6 montrent deux enregistrements sismiques obtenus
respectivement en appliquant la méthode d'acquisition et de
traitement selon l'invention et une méthode classique u=ilisant des
signaux sismiques complets mesurés en pleine précision, dans la même
bande de fréquence.
1~ La méthode selon l'invention peut être mise en oeuvre par
exemple autour d'un puits 1 où est descendue une source d'impulsions
sismiques. Cette source peut être un outil de forage 2 fixé à la base
d'une colonne 3 et capable d'émettre de telles impulsions. On utilise
par exemple un trépan du type tricône entraïné en rotation (forage
rotary) qui, on le vérifie, émet des impulsions suffisamment
puissantes distribuées de façon aléatoire dans le temps. On peut aussi
utiliser par exemple des outils de forage associés à des moyens 4 pour
leur appliquer des percussions, ou encore des sources du type SOSIE
(R> telles que celles décrites dans le brevet US No. 3 483 514.
2~ De préférence la méthode est mise en oeuvre durant le
forage de couches souterraines Çes plus dures, de manière à obtenir
des impacts de plus grande amplitude:
Les impulsions sismiques traversent les formations
géologiques environnant le puits et après réflexion et/ou réfraction
sur les discontinuités du sous-sol, sont reçues en surface par un
ensemble de capteurs G tels que des géophones ou dés accéléromètres.
Ils sont disposés suivant une ligne dans le cas où l'on veut restituer
un plan de profil sismique (2D> ou bien répartis en sû~face .dans le
cas d'une prospection dite en 3D.
n Le système de réception sismique peut comporter par exemple
un ou plusieurs câble s de transmission C1,.C2::. Cp ,(Fig:2): Chacun
d'eux relie à un laboratoire central de commande et d'enregistrement
5, un ou plusieurs ensembles dé réception R1:.. 'Ri... Rn: Chacun de
ces ensembles comporte par exempté plusieurs chapélets de capteurs
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interconnectés (strings) G1i, G2i... Gmi réunis chacun à un appareil
d'acquisition de signaux Ai adapté à collecter les signaux reçus et à
les transmettre au laboratoire central 5. Une source sismique
impulsionnelle S est aussi reliée au camion-laboratoire S, cette
source pouvant être une source de surface comme le montre la fig.2 ou
bien encore l'outil de forage déjà mentionné.
La mise en o~euvre de la méthode selon l'invention comporte
le découpage du spectre de fréquence des signaux impulsionnels émis et
reçus en une pluralitE= de bandes adjacentes (au moins deux), la
réduction des signaux clans chaque bande de fréquence à leur seul bit
de signe et la transmission au laboratoire central 5 pour
enregistrement des séquences de bits de signe obtenus.
A cet effet on dispose à L'endroit le plus approprié, un ou
plusieurs capteurs pour fournir des signaux représentatifs de la série
d'impulsions réellement émises par la source S. Ces signaux sources ou
pilotes peuvent être prélevés au voisinage de la source quand elle est
en surface. Quand la source est un trépan de forage, Les signaux
sources peuvent être captés au sommet du train de tiges ou bien au
fond au voisinage du trépan. Dans ces cas, on peut utiliser par
2~ exemple un système de transmission tel que le TELEVIGILE décrit dans
la demande de brevet français publié No. 2 656 ?47 Cou SN 636 z73).
Le signal pilote obtenu étant en l'occurrence une suite
d'impulsions, et il est appliqué à plusieurs filtres passe-bande 6 à
bandes de fréquence adjacèntes F1, F2... Fk Ck étant au moins égal à
deux) recouvrant toute le spectre d'émission (Fig.3>. Les sorties
respectives des filtres 6 précédents, sont connectées respectivement à
des circuits d'écrêtage du type "clipper" 7 qui produisent à Leurs
sorties respectives des signaux logiques indicatifs de leur signe
(bits de signe) s1, s~... sk. Ces signaux sont transférés dans un
3~ moyen de mémorisation ou d'enregistrement 8 du laboratoire central 5.
On procède de la même façon avec les signaux reçus par
chacun des capteurs. Le signal g1i reçu par le capteur G1i de
l'ensemble Ri (Fig.2) est appliqué après passage dans un
préamplificateur PA1i, à l'entrée de plusieurs filtres complémentaires
_8-
passe-bande 9 dont les bandes passantes respectives F1, FZ... Fk sont
identiques aux précédentes. Les différents signaux complémentaires
issus des filtres, sont appliqués à d'autres écrêteurs ou "clippers"
qui produisent sur leurs sorties respectives des séquences de bits
de signe g1i1, g1i2... g1ik qui sont stockés dans une mémoire locale
Mi. Il en est de même pour les signaux g2i...gmi reçus par les autres
capteurs G2i... Gmi respectivement. Au signal gmi produit par ce
dernier par exemple, correspond les séquences de bits de signe gmi1,
gmi2... gmik qui sont stockées aussi dans la mémoire locale Mi.
10 A la fin de chaque période de réception, tous les bits de
signe mémorisés dans la mémoire locale Mi, sont transférés par Les
différents câbles C1... Cp dans le moyen de mémorisation 8 du
laboratoire central 5.
La phase de traitement des données de signe mémorisées dans
le moyen de mémorisation 8 comporte notamment
- la corrélation (cross-correlation) de chaqué séquence de bits de
signe associée aux signaux émis dans chacune des bandes de fréquence
complémentaires avec chaque séquence de bits de signe associée aux
signaux reçus par chaque chaque capteur du système de réception;
- le filtrage des signaux résultant des corrélations effectuées dans '
chacune desdites bandes de fréquence par des filtres de bande
passante adaptée à celles des filtres passe-bandé 6;
- la sommation après corrélation des contributions dues à un même
capteur, et ceci pour chacun des capteurs du système de réception
sur le terrain; et
- la formation de coupes sismiques à partir des sommations
précédentes.
On complota de préférence les étapes de traitement
précédentes par des sommations classiques en couverture multiple (~DP)
par exemple pour améliorer la lisibilité des coupes sismiques
obtenues.
Les opérations de traitement pr~ëcédentes sont réalisées
dans une unité de traitemént 11 incluse dans le laboratoire central 5.
Cette unité de traitement peut comporter (Fig.4) des processeurs
_ g
spécialisés XCOR'1... XCORI... XCORk connectés au moyen de mémorisation
8. Les séquences de bits de signe gi1... gil... gik associées aux
signaux reçus par un capteur quelconque Gi du système de réception et
issus de chaque batterie de filtres 6 à bandes de fréquence adjacentes
F1 à Fk, sont corrélées respectivement avec les séquences
correspondantes s1 à sk des signaux émis. Les sorties des processeurs
spécialisés sont connectes respectivement à des filtres numériques 12
dont les bandes passantes sont adaptées à celles des filtres 6.
L'usage de ces filtres numériques 12 est justifié dans la pratique du
fait que l'écrëtage (clipping> opéré par Les écrêteurs 10 engendre des
fréquences parasites qui n'existaient pas dans le spectre des signaux
reçus. Les sarties des filtres numériques 12 sont connectées aux
différentes entrées d'un sommateur 13 qui filtre et ajoute toutes Les
contributions. On peut utiliser par exemple un sommateur pouvant faire
une pondération particulière des signaux à sommer.
L'unité de traitement 11 peut être aussi un calculateur
programmable et dans ce cas, Les opérations de traitement précédentes
sont réalisées par programmation du calculateur.
Les Fig. 5 et 6 témoignent de la validité de la méthode.
Elles montrent des séries de 12 traces produites chacune
successivement par trois géophones G1, G2, G3 et un accéléromètre A
déplacés en une suite d'emplacements le long d'un profil sismiq~ie. A
chaque cote, on a enregistré les signaux captés en réponse à une
séquence d'impulsions durant par exemple deux minutes. Le spectre de
fréquence émis Cde 20 à 80 Hz par exemple) a été subdivi-sé en deux
octaves : 20-40Hz et 40-80Hz. La Fig. 5 montre la coupe sismique qui a
été obtenue par une méthode classique avec échantillonnage et
numérisation à pleine précision généralement à 1ô dits des signaux
reçus. La Fig. b montre le résultat obtenu par la méthode selon
l°invention. Après subdivis9on en deux octaves (20 à 40 Hz) et (40 à
80 Hz) par exemple, écrêtage, conservation des séquences de bits de
signe, corrélations et sommations comme décrit ci-dessus, on a pu
réaliser un enregistrement sismique brut qui offre une très bonne
ressemblance avec celle de la Fig. 5 obtenue par une méthode
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classique, sans avoir eu besoin pour L'obtenir, d'un appareillage
d'acquisition sismique aussi complet et aussi performant que celui oue
l'on emploie habituellement par les méthodes conventionnelles.
On ne sortirait pas du cadre de l'invention en utilisant un
système de réception sismique avec des capteurs placés dans un puits.
