Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
1 ~~."~~.
La présente invention concerne une méthode d'acquisition et de
traitement de données sismiques, utilisée dans le cadre d'une surveillance
répétitive du déplacement des fluides imprégnant un réservoir situé en
profondeur dans le sous-sol en dessous d'une zone d'altération superficielle.
L'invention trouve une application particulièrement avantageuse
dans le domaine de la géophysique appliquée oû l'on recherche notamment
1 ~ à recueillir des informations sur les déplacements des hydrocarbures et de
l'eau dans un réservoir souterrain par des méthodes de sismique réflexion
répétée.
En effet, la sismique réflexion permet de reconstituer des
déformations du sous-sol à partir de la mesure des temps de propagation
des ondes sismiques émises jusqu'aux principales interfaces. En outre,
lorsque le rapport signal sur bruit des enregistrements est bon, il est
possible de mesurer la réflectivité de ces interfaces, qui est proportionnelle
à l'amplitude des ondes sismiques réfléchies. De ce fait, il est possible de
suivre des variations de lithologie ou de porosité du sous-sol, et donc de
décrire par exemple de manière plus précise la nature des réservoirs
souterrains à hydrocarbures.
En ce qui concerne la détection des fluides dans un tel réservoir, il
arrive que dans des conditions favorables, c'est-à-dire un réservoir meuble
et poreux contenant du gaz ou de l'huile à faible viscosité, l'on repère sur
un prafil de sismique réflexion la présence de fluides ou la position de
leurs interfaces, à l'origine d'anomalies d'amplitude ou de changement de
1
configuration des réflexions sismiques. Mais, dans la plupart des cas, cette
détection directe des fluides n'est pas possible à cause des faibles
variations de réflectivité induïtes par le déplacement des fluides ou à cause
d'un manque de rësolution de la méthode employée,
2
Une solution technique aux problèmes précités de la sismique
réflexion simple est 1a surveillance répétitive, c'est-à-dire un procédé
d'enregistrement de sismique réflexion répété à des intervalles de temps
suffisants pour que le déplacement des fluides dans le réservoir produise
des différences détectables de temps de propagation ou d'amplitude des
ondes réfléchies, entre les profils de sismique réflexion successifs. En
comparant deux enregistrement, on réalise une mesure relative des ondes
sismiques réfléchies, dont 1a sensibilité est bien supérieure à celle d'une
acquisition unique dans le cas de la sismique réflexion simple, car elle
permet de repérer des déplacements des fluides sans que ceux-ci soient
détectés directement.
11 convient cependant de préciser que la surveillance répétitive
nécessite, quelle que soit la méthode employée pour obtenir les enregistre-
ments de sismique réflexion, une utilisation répétée des dispositifs de mise
en oeuvre, repositionnés de manière stricte, et des enregistrements
présentant un rapport signal sur bruit élevé et une bonne résolution
verticale.
Actuellement, les méthodes de sismique réflexion connues et mises
.:
en oeuvre dans le eadre d'une surveillance répétitive, sont des méthodes
sismiques à partir de la surface en 2D ou 3D, ou puits-à-puits ou bien mixte
.,
surface~puits comme les P. S. V (Profil de Sïsmique Vertical). A titre de
document de référence sur les méthodes de géophysique employées pour
effectuer la surveillance répétitive des fluides, on peut consulter le
!, document "New Dimensions in Geophysics for Resevoir Monitoring, SPE
formation Evaluation", Juln 1991, p. 141-150 (R.J. Greaves, 1V.B. Beydoun et
B.R: Spies).
D'une manière générale, toutes ces méthodes d'acquisition de
sismique réflexion précitées visent à obtenir une image continue du sous-sol
(sur une surface, une ligne ou près d'un puits) et utilisent toutes un procédé
d'addition en couverture multiple pour améliorer le rapport signal sur bruit
' des enregistrements obtenus.
J5
3
Dans le cadre de la surveillance répétitive, aucune de ces méthodes
précitées bien connues de l'homme du métier ne sont satisfaisantes car
elles se heurtent, en terrestre, à des problèmes d'accessibilité et de
variation saisonnière des propriétés des niveaux superficiels du sous-sol, et
en marine, aux difficultés de repositionnement exact des passages
successifs.
A terre, la réalisation de sismique réflexion à partir de la surface en
2D ou en 3D est souvent difficile car elle nécessite la mise en place d'un
1o grand nombre de récepteurs sur une surface étendue, ce qui pose des
problèmes d'accessibilité sur !e terrain (viabilité, permittage) et d'immobi-
lisation ou de repositionnement d'un dispositif d'acquisition important. De
plus, les enregistrements obtenus à l'aide d'une sismique de surface
présentent un rapport signal sur bruit moyen car le bruit sismique est
important en surface. Ce bruit sismique en surface est une onde de sol et
une onde aérienne. D'autre part la résolution de ces enregistrements est
faible car il y a une absorption de hautes fréquences dans la zone
d°altêration superficielle du sous-sol à étudier, et un filtrage lié
aux
interférences entre les récepteurs disposés sur le sol. En outre, le co0t de
mise en oeuvre de la sismique de surface est relativement élevé.
Les méthodes de sismique de puits fournissent des enregistrements
dont la résolution et le rapport signal sur bruit sont en général adaptés à la
surveillance répétitive, mais la réalisation de ces méthodes est difficile à
cause de l'accessibilité limitée des puits et leur investigation reste
,~3
ponctuelle autour des seuls puits existants.
La présente invention propose une nouvelle méthode d'acquisition et
de traitement de données sismiques, adaptée à la surveillance répétitive
par sismique réflexion des fluides dans un réservoir souterrain, qui vise à
pallier les inconvénients des méthodes sismiques antérieures précitées.
Plus particulièrement, selon l'invention, cette méthode comporte les
étapes suivantes consistant à
a) aménager en chaque point d'une grille prédéterminée en surface,
un trou d'axe vertical de faible profondeur dans le sous-sol au-dessus
du réservoir, et traversant la zone d'altération superficielle,
b) positionner dans chaque trou suivant son axe vertical une pluralité
de récepteurs fixes et destinés à être connectés séparément à un
enregistreur placé en surface,
c) émettre à proximité de chaque trou des ondes sismiques dans le
sous-sol au moyen d'une source émettrice placée en surface à
proximité de la verticale de ce trou,
d) enregistrer pour chaque trou, au moyen des récepteurs placés dans
ledit trou, les ondes sismiques incidentes directes et les ondes
sismiques réfléchies aux interfaces des couches profondes du sous-sol,
chaque récepteur fournissant un enregistrement séparé d'uns onde
incidente et de plusieurs ondes réfléchies,
e) pour chaque trou, effectuer le traitement suivant
- pointer la première arrivée des ondes incidentes directes,
- horizontaliser les ondes réfléchies,
- séparer les ondes réfléchies et les ondes incidentes directes,
- déconvoluer récepteur par récepteur les ondes réféchies par l'onde
incidente directe afin d'obtenir pour chaque récepteur une trace
0-phase,
- additionner les traces 0-phase provenant des récepteurs pour
obtenir une trace 0-phase à déport nul de faible couverture.
On entend ici par une trace 0-phase, une trace constituée de
réflexions dont les amplitudes maximales ou minimales sont situées à
1°aplomb (en temps de propagation) des interfaces réfléchissants du
sous-sol
et dont les valeurs sont proportionnelles à la réfléctivité de ces interfaces.
5
En outre, une trace à déport nul est une trace équivalente à celle qui aurait
été enregistrée en utilisant un émetteur et un récepteur placés au même
endroit, ce qui correspond à une propagation des ondes selon la verticale.
Par ailleurs, on entend par trace de faible couverture, une trace constituêe
par l'addition d'un nombre réduit de traces.
Ainsi, selon la méthode d'acquisition et de traitement de données
sismiques conforme à !'invention, en chaque point de la grille, une mesure
correspond à une ou plusieurs émissions sismiques enregistrées séparément
par chacun des récepteurs disposés verticalement dans le trou, placé en ce
point, qui s'étend sous la zone d'altêration superficielle du sous-sol.
Avantageusement, les trous sont disposés selon une grille de points plus ou
moins espacés de manière à échantillonner le réservoir de manière -
représentative. On remarquera dans ce cas que l'investigation n'est pas liée
à la présence et à la disponibilité de trous profonds.
Le but de la méthode selon l'invention n'est pas de reconstituer à
une date donnêe une image continue du sous-so! mais d'obtenir en chaque
point de la grille une trace 0-phase à déport nul de faible couverture,
c'est-à-dire un enregistrement des ondes réfléchies à la verticale du trou
positionné en chaque point. Cette trace non migrée est représentative de la
réflectivité moyenne des interfaces sur la surface éclairée par les ondes
.; réflêchies, cette surface éclairée étant appelée zone de Fresnel.
Selon l'invention, pour chaque trou, on répète à des dates
différentes, l'émission d'ondes sismiques dais le sous-sol et on compare les
traces 0-phase à déport nul de faible couverture obtenues à partir des
émissions effectuées aux différentes dates, en corrigeant des variations de
temps de propagation liées aux modifications saisonnières dans la zone
d'altération superficielle sur lesdites traces, et en calculant des
différences
d'amplitude et de temps de propagation au niveau des réflexions
correspondantes sur lesdites traces dans le sous-sol afin d'obtenir des
informations sur le déplacement des fluides dans le rêservoir à étudier.
6
Selon l'invention, les trous réalisés permettent de garder les
rêcepteurs enterrés, disponibles et accessibles pour chaque émission, méme
si les dates d'émission sont espacées de plusieurs mois ou de plusieurs
années. Lors de la surveillance répétitive, la méthode selon l'invention ne
nécessite pas le repositionnement ou l'immobilisation de nombreux
récepteurs, comme cela est le cas pour les méthodes de sismique à partir de
la surface. En utilisant de façon répétée ses propres dispositifs verticaux,
la
méthode selon l'invention permet d'obtenir un échantillonnage spatial et
temporel du réservoir selon des intervalles déterminés par la complexité du
réservoir, la vitesse de déplacement des fluides et le budget disponible. La
méthode proposée, qui suppose la réalisation de trous peu profonds équipés
de récepteurs, présente un colt plus faible que ia répétition de profils
continus nécessités par la sisirnique de surface de l'art antérieur. I!
convient de noter que selon l'invention l'utilisation de récepteurs enterrés
et disposés verticalement permet d'obtenir des traces sismiques présentant
à la fois un rapport signal sur bruit élevé et une bonne résolution verticale,
en particulier grâce au filtrage vertical des effets de surface et au
positionnement du dispositif sous la zone d'altération superficielle du
sous-sol.
En outre, on remarquera que selon l'invention, le traitement des
acquisitions sismiques comporte une étape de déconvolution niveau par
niveau des ondes réfléchies par une onde directe, permettant d'obtenir des
réflexions dont l'amplitude est représentative de la rêflectivité du sous-sol
â la vertieale du trou . Cette étape du traitement avantageuse et originale,
vient à l'encontre de tous les a priori de l'homme du métier. En effet, du
fait que les récepteurs sont peu profonds, les ondes réfléchies parcourent
un trajet beaucoup plus long que les ondes directes, et l'homme du métier
peut penser a priori que l'opération de déconvolution de l'une par l'autre ne
donnera pas un résultat satisfaisant. En fait, le résultat de la déeonvolution
est satisfaisante parce que les ondes directes et réfléchies sont essentiel-
lement modelées par leur passage à travers la zone d'altération superficiel-
le.
7
La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à
titre d'exemples non limitatifs, .fera bien comprendre en quoi consiste
l'invention et comment elle peut être réalisée.
- L a figure 1 est un sché m a en perspective d'une tranche de terrain
avec arrachement partiel, montrant l'installation de mise en oeuvre de la
méthode selon l'invention.
L a figure 2 est une vue de détail d'un trou co m portant les
récepteurs permettant les enregistre m ents des ondes directes et réfléchies
suivant la méthode d'acquisition et de traitement de données sismiques
selon l'invention.
- La figure 3 est un diagramme de visualisation des ondes sismiques
directe et réfléchie enregistrées par chacun des récepteurs de la figure 2.
- La figure 4 est la visualisation de la trace 0-phase obtenue après
traite ment pour chacun des récepteurs de la figure 2.
- la figure 5 montre la trace 0-phase à déport nul de faible
couverture obtenue après addition des traces 0-phase obtenues à la figure
4.
- L a figure 6 montre la correspondance entre cette trace 0-phase à
déport nul, de faible couverture obtenue après traitement pour le trou de
la figure 2 et les valeurs de la réflectivité des interfaces du sous-soi à la
verticale dudit trou.
- La figure 7 est un exemple d'uns répartition différente des fluides
dans le réservoir de ia figure 1 à deux dates différentes.
- La figure 8 représente deux traces sismiques eneegistrées à la
verticale d°un trou de la grille de la figure 1 pour les deux dates de
la
figure 7, et traitées selon l'invention.
8
- La figure 9 représente un modèle des variations des grandeurs
caractéristiques de la réflectivité du réservoir de la figure 7 en fonction
de la saturation en eau dans le réservoir,
S
Sur la figure 1, on a représenté un exemple de portion de terrain,
avec une vue partielle du sous-sol. En partant de la surface du terrain vers
les couches profondes du sous-sol, on distingue tout d'abord une zone
d'altération superficielle 2 qui s'étend en profondeur sur 70 mètres environ
et un réservoir 1 situé à environ 1200 mètres de profondeur, contenant des
fluides non représentés sur cette figure, tels que par exemple de l'eau et du
gaz. . Ce réservoir 1, vu en tranche, s'étend sur toute la longueur de la
portion de terrain représentée. En outre, on distingue sur la figure 1 la
mise en oeuvre d'un enregistrement à partir de la méthode d'acquisition et
de traitement de données sismiques selon l'invention, visant à suivre
notamment les déplacements des fluides dans le réservoir 1.
En ce qui concerne l'acquisition des données sismiques, suivant cette
méthode, comme on peut le voir sur la figure 1, on aménage à chaque point
A d'une grille prêdéterminée en surface, un trou 100 d'axe vertical U-U' et
de faible profondeur dans le sous-sol au-dessus du réservoir 1. Les points A
de la grille sont plus ou moins espacés les uns des autres, ici par exemple
de 250 à S00 mètres, de manière à échantillonner correctement le réservoir
1. Ici, la grille comporte une vingtaine de points A. Chaque trou 100 de la
grille s'étend à partir de la surface jusqu'à une profondeur icï d'environ !
SO
mètres, à d'intérieur d'un milieu dans lequel les ondes sismiques se
propagent de préférence à vitesse constante et qui se trouve sous la zone
d'altération superficielle 2. Ces trous 100 non tubés ou comportant une
simple chemïse en polychlorure de vinyle par exemple, sont rêalisês avec
les foreuses classiques utilisées pour la préparation des carottages V.T,
nécessaires à la mesure des temps de propagation dans les niveaux
superficiels. Chaque trou 100 présente un diamètre d'environ 10 centimè-
tres.
9
Comme on peut le voir sur les figures 1 et 2, dans chaque trou 100,
on positionne suivant son axe vertical U-U' au moins six à huit récepteurs
101,102,103,104,105,106,107,108, qui sont connectés séparément jusqu'à la
surface. Ces récepteurs sont distants dans ie trou de deux à dix mètres
environ en fonction de la vitesse des ondes émises dans le milieu
environnant les récepteurs et de la fréquence des ondes émises. Les
récepteurs sont descendus et cimentés directement dans chaque trou 100,
afin qu'ils soient fixés dans ledit trou. Chaque récepteur est muni d'un
boîtier renforçant son étanchéité et est relié à la surface à une ou
plusieurs prises imperméables situées sous un regard 110 placé en surface.
Lorsqu'on effectue une mesure sur un trou, comme cela sera explicité
ultérieurement, les récepteurs du trou en question sont alors connectés
séparément à un enregistreur 300 qui vient se brancher sur !a ou les prises
imperméables situées sous !e regard 110. Les récepteurs utilisés sont par
exemple des géophones ou bien des triphones. four des taisons d'encom-
brement, les triphones peuvent être constitués de trois mini-capteurs
séparés, disposés dans un tube plastique. Leur orientation dans le trou
pourra être déterminée par rapport à la direction d'uns émission réalisée
en surface avec un certain déport.
Comme ls montre les figuras 1 et 2, dans une étape suivante de la
méthode selon l'invention, on émet pour chaque trou 100, des ondes
sismiques dans le sous-sol au moyen d'uns source émettrice 200 placée en
surface à proximité de la verticale U-U' de chaque trou 100. Ici la source
émettrice 200 est placée à environ 20 mètres de la verticale du trou en
question. On réalise de préfêrence à chaque enregistrement plusieurs
émissions, soit sur place pour améliorer le rapport signal sur bruit des
enregistrements, soit en se décalant progressivement de manière à obtenir
une collection de traces autour de la verticale U-U' du trou 100.
Cependant, la faible profondeur des récepteurs peut limiter l'efficacité du
traitement proposé à des déports ne dépassant pas la profondeur moyenne
de ces récepteurs, soit ici environ 100 métrer de part et d'autre du trou
100:
10
Comme le montre les figures 2 et 3, chaque émission est à l'origine
sur chacun des récepteurs du trou 100 enregistrés séparément, d'une arrivée
directe d'onde incidente directe ou onde descendante 10, et d'arrivées
d'ondes réfléchies aux interfaces du sous-sol, formées notamment par les
S fluides du rêservoir 1, ou ondes montantes 20. Les ondes sont enregistrées
et transmises à l'enregistreur 300.
Ainsi, chaque émission ou groupe d'émissions sur chaque trou fournit
un ou plusieurs enregistrements sismiques à une date donnée qui vont
permettre de mesurer la réflectivité du sous-sol à la verticale de chaque
trou. Le ou les enregistrements obtenus à une date donnée sont transformés
pour chaque trou suivant les étapes de traitement de la méthode selon
l'invention. I1 convient de noter que dans le cadre d'une surveillance
répétitive, les dates de prise de mesures ou d'enregistrements sismiques
peuvent être espacées de plusieurs mois voire de plusieurs années.
Nous allons maintenant décrire les étapes de traitement de la
méthode selon 1°invention pour une émission à proximité d'un trou,
celles-ci
étant montrées plus particulièrement sur les figures 4, 5 et ~.
Pour chaque trou, on pointe les arrivées premières des ondes
incidentes directes 10 de manière à mesurer le temps de propagation de ces
ondes, jusqu'aux différents récepteurs. Ces délais sont ensuite utilisés de
deux façons : ils sont ajoutés aux temps d'arrivée des différentes ondes
2S réfléchies 20, ce qui a pour effet de les horizontaliser ; ils servent à
identifier et à corriger les variations saisonnières de vitesse dans !a none
d'altération superficielle. On sépare ensuite les ondes montantes
(réfléchies) 20 et les ondes descendantes (directes) 10 par un filtrage en
fréquence et en nombre d°ondes sachant que lesdites ondes montantes et
descendantes ne présentent pas la même vitesse apparente. Puis, on
déconvolue récepteur par récepteur les ondes montantes ou réfléchies 20
par l'onde descendante ou directe 10 arrivant au récepteur en question afin
d'obtenir pour chaque récepteur une trace 0-phase 30, comme le montre la
figure 5. Ces traces 0-phase présentent des réflexions dont les temps de
propagation et les amplitudes maximales ou minimales sont proportionnels
à la profondeur et à la réflectivité des différentes interfaces du sous-sol et
sont indépendants des conditions de surface après correction des variations.
I1 convient de préciser que ia réussite de cette déconvolution suppose que
les ondes montantes 20 et descendantes 10 soient presque entièrement
modelées lors de Ieur passage à travers la zone d'altération superficielle.
C'est la condition pour que l'onde descendante 10 soit représentative des
ondes montantes 20, dont le trajet sous ladite zone d'altération 2 est
beaucoup plus long que celui des ondes descendantes 10, et donc que la
déconvolution soit efficace. Dans l'exemple proposé, les ondes descendantes
parcourent environ 100 mètres alors que les ondes montantes parcourent
environ 2000 à 2500 mètres. Dans la méthode PSV, où les récepteurs sont
descendus dans le puits jusqu'à proximité du réservoir, cette différence de
trajet est beaucoup moins importante.
I5
Par suite, après addition des traces 0-phase horizontalisées, on
obtient une trace 0-phase à déport nul de faible couverture 40, comme le
montre !a figure 5, c'est-à-dire que pour cette nouvelle trace 40 tout se
passe comme si la propagation des ondes s'était effectuée à la verticale
dudit trou. La figure 6 montre la correspondance entre cette trace 0-phase
â départ nul 40, et la réflectivité R1,R2 des interfaces profondes du
sous-sol autour du trou 100 considéré. I1 convient de noter que selon Ia
méthode d'acquisition et de traitement décrite ici, on peut à la fois,
compenser les modifications saisonnières des temps de propagation dans la
zone d'altération superficielle grâce à la mesure des délais sur les ondes
descendantes 10 (pointé des arrivées premières), et tenir compte des
variations d'amplitude de l'émission grâce à la déconvolution, c'est-à-dire
que l'on peut faire abstraction de toutes les variations superficielles d'une
acquisition sur l'autre.
Selon le mode de réalisation décrit aux figures 1, 2, 3, 4, 5 et 6, la
méthode d'acquisition et de traitement de données sismiques permet, d'une
part, à une date donnée d'obtenir un échantillonnage de la réflectivitê du
12
sous-sol suivant la grille reprêsentée sur Ia figure I. L7'autre part, elle
permet en répétant à des dates espacées dans le temps JI et J2 les
émissions sismiques à proximité des différents trous 100 de la grille, et en
comparant pour chaque trou les différentes traces 0-phase à déport nul
obtenues â l'issue du traitement, d'obtenir une évaluation des variations de
saturation des fluides dans le réservoir 1 répartie de façon discrète.
Par exemple, comme le montre la figure 7, on suppose que le
réservoir 1 comporte deux fluides 1 a, 1 b, tels que du gaz et de l'eau
séparés
par une transition progressive, qui entre des dates J1 et J2 se déplacera
vers le haut par suite de la production du gaz. A !a date J1 et sur une
verticale U-.U', le réservoir 1 comporte une saturation en hydrocarbure
d'environ 60 %, et une saturation en eau de 40 %, tandis qu'ultérieurement,
à la date J2, le réservoir 1 présente, selon Ia méme verticale, des
saturations hydrocarbure/eau inversées par suite de Ia remontée de la zone
de transition. En appliquant la méthode décrite sur les figures 1 à 5, aux
dates Jl et J2 et plus particulièrement en effectuant une ou plusieurs
émissions à proximité de chaque trou de !a grille, aux dates JI et J2, en
traitant les enregistrements obtenus et en comparant pour chaque trou les
traces à déport nul, comme nous l'avons décrit précédemment, on obtient
pour ce trou le diagramme de la figure 8 qui montre, d'une part une
variation D A des amplitudes maximales ou minimales proportionnelles à la
variation D R de la réflectivité des interfaces des couches profondes à la
verticale du trou (donc à la variation D Z d'impédance accoustique) et
d'autre part, une variation de temps de propagation D t jusqu'à l'interface
considérêe qui traduit une variation de vitesse sismique dans les couches
traversées par les ondes réfléchies 20.
A partir de l'utilisation de diagrammes thêoriques du type de celui
représenté figure, 9, il est possible de relier les variations d'impédance 0 Z
ou de vitesse V, mesurées à partir de D A et p t, à des variations de
saturation en fluides et donc aux déplacements de ceux-ci.
Bien entendu, la présente invention n'est nullement limitée à la
forme de réalisation décrite et représentée, mais l'homme du métier saura
y apporter toute variante conforme à son esprit.
13
Par exemple, la méthode d'acquisitïon et de traitement de données
sismiques décrite ci-dessus peut être réalisée dans le milieu marin. Chaque
point de la grille correspondrait alors à une fl0te verticale comportant
plusieurs hydrophones ou groupes â hydrophones, immergée au-.dessus du
fond et reliée à un enregistreur autonome située dans une sphère étanche.
Les émissions sont réalisées à l'aplomb de la flOte â partir d'un navire
sismique qui récupère 1°ensemble traceur et enregistreur après chaque
acquisition.
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