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La présente invention concerne une méthode de traitement de~données sismiques
molli
composantes orientés, obtenues clans un poils de réception et plus
particulièrement de données
sismiques obtenues lors d'opérations de profil sismique verticale (PSV) avec
réception des ondes
sismiques par un ou plusieurs capteurs molli-axes couplés avec les formations
environnant un
puits et une source sismique disposée en surface, dons le même puits que les
capteurs ou dans un
autre puits.
La méthode selon l'invention trouve des applications dans le cas d'études
sismiques de type
PSV d'une formation menées suivant plusieurs techniques connues : avec source
à déport latéral
(offset) simple ou multiple, avec déplacement de la source suivant un profil
passant par la gueule
du puits dite de "Walkaway", PSV en puits dévié avec par exemple déplacement
de la source à
l'aplomb des récepteurs dans le puits, technique dite de "Walk-above", PSV en
3D, sur des
signaux enregistrés au moyen de capteurs dans une sonde de puits, ou
enregistrés pendant forage
(VSP-WD), ou encore enregistrés avec des capteurs sismiques permanents comme
décrits
notamment dans les brevets 2 593 292 (US 4,775,089) et 2 656 034 (US
5,181,565) du
demandeur.
Etat de la technique
II est usuel lors de l'exploitation des données sismiques, obtenues parwne
méthode de type
PSV, au moyen de récepteurs molli-axes par exemple, de traiter une des
composantes, en général
la composante verticale. Des exemples de traitement mono-composante de données
sismiques
sont décrits notamment par
- Hardage, B.; "Vertical Seismic Prospecting"; in Geophysical Press vol. l4,
1983; ou
- Mari, J.L. et al; "Seismic Well Surveying", 1991, Éditions Technip, Paris.
II est connu également de prendre en compte la polarisation des ondes directes
soit pour la
réorientation des composantes soit pour les études de voisinage de diapirs de
sel.
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la
Cependant, cette limitation classique à une seule des composantes conduit à
certaine
indétermination dans le positionnement d'événements géologiques, qu'il n'est
pas possible de lever.
L'inversion des temps uniquement conduit à un multiplicité de solutions
puisque la direction
azimutale de pendage des réllecteurs est inconnue. De plus, lorsque deux
événements sismiques
arrivent en même temps avec des vitesses apparentes voisines ct tïgurent sur
duelques traces
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profondeur consécutives (6 à 12 par exemple), on véritïe facilement qu'il est
quasiment impossible
de les séparer par un traitement mono-composante classique.
La méthode de prospection sismique selon l'invention permet de positionner
dans l'espace
des événements géologiques au voisinage du puits. Elle comporte la réception
par des capteurs
i sismiques molli-axes disposés dans un puits et couplés avec les formations
environnant le puits,
des composantes suivant trois axes d'ondes sismiques renvoyées par les
discontinuités du sous-sol
en réponse à des ondes sismiques émises clans le sol par une source sismique
(en surface, dans le
même puits que les capteurs ou dallS lln puits différent).
Elle est caractérisée en ce qu'elle comporte l'affectation aux données
sismiques reçues, de
l0 données détinissant l'orientation dans l'espace des capteurs sismiques
molli-axes de réception,
l'application parallèle, aux trois composantes des ondes reçues, d'opérateurs
de traitement
permettant la sélection parmi les ondes reçues à chaque capteur molli-axes,
des ondes polarisées
utiles à la caractérisation de la structure géologique dans le voisinage du
puits (notamment les
ondes P ou S réfléchies ainsi que les arrivées d'ondes P ou S diffractêes ou
réfractées), le repérage
IS dans l'espace, à chaque capteur molli-axes, des directions de provenance
respectives de ces ondes
polarisées et le positionnement dans l'espace des événements sismiques ayant
généré lesdites
ondes.
La méthode peut comporter par exemple la formation d'une image cylindrique
développée
constituée de fenêtres juxtaposées, chacune d'elles contenant les traces
sismiques reçues dans un
20 créneau de temps déterminé, provenant de la direction azimutale définie par
l'abscisse et de la
direction d'inclinaison par rapport à la verticale définie par l'ordonnée,
permettant une
discrimination des ondes polarisées par un repérage de chaque événement
sismique en onde P par
identification de la position de la fenêtre où cet événement engendre les
traces les plus fortes et de
chaque événement sismique en onde S, par identification de la position de la
fenêtre où cet
?5 événement engendre les traces les moins fortes.
La méthode peut comporter une étape d'inversion conjointe des temps et de la
polarisation
des arrivées réfléchies, notamment par lancer de rai, utilisant l'azimut et
l'inclinaison de la
direction de provenance des événements sismiques, de manière à localiser
spatialement en trois
dimensions, la position de points du milieu ayant réfléchi, diffracté ou
réfracté des ondes, tels que
30 par exemple
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- le point miroir ayant rétléchi le rai, ainsi que le pendage et l'azimut du
plan tangent à la surface
réfléchissante au point miroir;
- le point diffractant agissant comme source de réémission secondaire; ou
- le plan de faille qui engendre une réfraction secondaire.
La méthode peut comporter aussi une inversion limitée à la détermination du
pendage et
l'azimut des interfaces réfléchissantes situées au voisinage immédiat du
puits, (sommation dans le
domaine local que les spécialistes désignent souvent par "corridor stack"),
dans l'épaisseur de
zone investiguée par la technique de PSV.
D'autres caractéristiques et avantages de la méthode selon l'invention,
apparaîtront à la
1o lecture de la description ci-après en se référant aux dessins annexés où
- les Fig. l , 2 illustrent le principe utilisé de repérage dans l'espace de
la position d'événements
sismiques réflecteurs d'ondes P au moyens de récepteurs sismiques molli-axes;
- la Fig.3 représente un organigramme résumant l'ensemble des opérations à
effectuer pour
mettre en couvre la méthode selon l'invention;
- les Fig.4, 5, 6 montrent respectivement un exemple de champ d'ondes P
réfléchies à trois
composantes obtenu par extraction isotrope à partir d'enregistrements PSV en
temps vertical
double avec source à proximité irnrnédiate du puits, où figure un événement
sismique D;
- la Fig.7 montre un exemple schématique de projection cylindrique développée
permettant
l'identification des ondes par leur polarisation et le repérage de l'azimut et
de l'inclinaison par
rapport à la verticale, de la direction de provenance des événements sismiques
de polarisation
linéaire où des événements sismiques présentent un maximum;
- les Fig.Ba, 8b illustrent sur un modèle simple, le principe d'inversion par
lancer de rai
respectivement dans l'espace et dans un plan d'incidence du rayon réfléchi;
- les Fig.~, 10, 11 montrent respectivement la projection dans deux plans
verticaux et un plan
horizontal des emplacements d'événements sismiques repérés sur les
enregistrements des Fig. 4
à 6, que l'on peut localiser en mettant en oeuvre la méthode selon
l'invention;
- la Fig.l2 illustre le cas simplifié de procédure d'inversion qu'il est
possible d'appliquer au
voisinage immédiat d'un puits;
- les Fig.13a, 13b montrent les projections verticale et horizontale de la
direction de propagation
3U d'une onde incidente P-S convertie en onde S par un point diffractant,
correspondant à
l'événement D des Fig. 4 à 6, après inversion des temps d'arrivée et de la
polarisation de
l'arrivée diffractée;
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- les Fig. l4, I S représentent les champs d'ondes réfléchies séparées après
analyse par projection
cylindrique, qui sont utilisés pour produire des images en couverture
multiple, terme qu'il
tàudra comprendre dans la suite de la description comme désignant
spécifiquement ce que les
spécialistes appellent "VSPCDP stick";
i - la Fig.l6 montre l'image en couverture multiple des horizons H3, H4 avec
un pendage de 12°
dans l'azimut N 108°E, vers 0,5 sec. en temps double sur la Fig. I 5;
et
- la Fig. l7 montre l'image en couverture multiple des horizons H3bis, H4bis
avec un pendage de
22° dans l'azimut N 147°E situés vers 0,5 sec. en temps double
sur la Fig. I S.
Description de la méthode
Lu méthode selon l'invention est mise en aeuvre au moyen de capteur:s molli-
axes tels que
des triphones, couplés avec les formations environnant un puits et d'une
source sismique placée en
surface, dans le même puits que les capteurs ou éventuellement dans un autre
puits proche. Elle
applique le principe simple défini ci-après. Dans un modèle simplitïé à
vitesse de propagation
constante (Fig.2), le lieu des points ayant réfléchi des ondes émises depuis
un lieu d'émission I et
captées après réflexion en un autre point G d'un puits 2, correspondant à une
même durée de
propagation vt est, on le sait, une ellipsoïde de révolution 3 ayant les
points I et G comme foyers.
On sait également que la direction de propagation des ondes P est colinéaire à
la direction de
mouvement des particules dans le milieu de propagation. En combinant en
amplitude et en phase
les trois composantes (deux composantes H et une composante Z) reçues par un
géophone tri-
axes situé au point G, on peut donc déterminer la direction dans l'espace de
provenance des ondes
de pression et donc l'orientation locale d'un réflecteur qui est un plan 4
tangent à l'ellipsoïde 3, et
de sa normale n. On peut en déduire l'angle de pendage i/2 du réflecteur ayant
réfléchi ces ondes,
qui, dans le cas très simple où la source sismique et le réflecteur sont
placés au voisinage
immédiat d'un puits vertical, est égal à la moitié de l'angle i d'inclinaison
des rayons par rapport à
l'axe du puits, comme l'illustre la Fig. I .
Le principe ci-dessus rappelé va être appliqué ci-après à des milieux
complexes plus
représentatifs de la structure du sous-sol, pour contraindre les schémas
structuraux possibles au
voisinage d'un puits vers une solution unique. II faut au préalable isoler
parmi les ondes reçues,
celles qui correspondent aux ondes de pression rétléchies.
La méthode selon l'invention comporte l'exécution successive d'étapes de
traitement ci-
après décrites, à partir de signaux sismiques bruts reçus par un ou plusieurs
capteurs sismiques
triaxiaux ou triphones couplés avec les formations environnant un puits, qu'il
s'agisse de capteurs
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dons des outils ou sondes descendus dans un puits à l'extrémité d'un câble ou
bien de capteurs
permanents installés à demeure comme décrits dans les brevets du demandeur
déjà cités.
L'ensemble des opérations de traitement effectués à partir des signaux captés,
est représenté par
l'organigramme de la Fig.3.
5 I - Réorientation : Les données sismiques brutes reçues par les capteurs
doivent être
accompagnées des données permettant la réorientation spatiale des trois
composantes. Plusieurs
cas de figure peuvent se présenter:
Dans un puits sensiblement vertical, différents moyens peuvent être utilisés
pour détecter
les données d'orientation à associer aux données sismiques captées. II peut
s'agu- de moyens
1o magnétiques d'orientation repérant la direction du champ magnétidue
terrestre, si l'on op8re en
trou ouvert, et/ou des inclinomètres, ou plus rarement à cause de son coût
élevë, d'un gyroscope.
L'orientation des composantes est alors parfaitement mesurée en trou ouvert ou
tubé.
Dans un puits dévié, de trajectoire connue mesurée en général séparément par
un outil à
gyroscope, les capteurs tri-axiaux sont montés sur cardan si bien que
l'orientation des
I S composantes est parfaitement connue.
Dans le cas du puits vertical tubé, ou d'un puits dévié de trajectoire connue
avec
enregistrement par des capteurs triaxiaux fixes par rapport au corps d'un
outil, on peut dans
certaines conditions favorables utiliser les propriétés de polarisation des
ondes sismiques directes
P pour réorienter les composantes situées dans le plan perpendiculaire à l'axe
du puits. Il faut pour
20 cela que les arrivées directes ne soient pas dans un plan parallèle à l'axe
du puits, et cette
réorientation n'est valable que pour la diagraphie en cours. Cette étape de
réorientation est bien
connue de l'homme de l'art et décrite par exemple par
- Becquey M. et al in Geophysics, I 990, vo1.55 N° 10, pp. I 386- I
388;
et peut être mise en aeuvre au moyen de logiciels de réorientation tels que
GéovecteurOO de lu
25 Compagnie Générale de Géophysique. La précision obtenue est d'environ
~5°, ce qui est suffisant
pour envisager favorablement l'exécution des traitements qui suivent.
2 - Rxtraction isotrope des ondes sismiques utiles en trois composantes
Si l'on désire mesurer des paramètres de polarisation du mouvement des
particules clans
l'espace, à partir des signaux reçus pur les capteurs tri-axiaux, il est
nécessaire de conserver les
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différences de phase et d'amplitude entre les composantes au cours de toutes
les opérations de
traitement préalables.
En particulier, le traitement des signaux sismiques obtenus en PSV-3C fait
appel à des
opérations conventionnelles suivantes qui doivent être appliquées de façon
identique aux trois
composantes des signaux, de préférence dans l'ordre indiqué sur l'organigramme
de la Fig.3.
* Le filtrage molli-traces de séparation d'événements de vitesses apparentes
différentes,
soit dans un repère de coordonnées idéographiques absolu, soit clans un repère
géographique local
relatif à un sous-ensemble de traces consécutives d'un algorithme de
séparation d'ondes en
désignant par trace, un signal trois composantes enregistré à un point spatial
donné,
l0 * l'égalisation dynamique, les déconvolutions quel que soit leur type,
* les corrections statiques et les corrections dynamiques (moveout),
* l'addition I soustraction mono-trace ou molli-trace,
* la réduction du bruit aléatoire, etc.
Le terme isotropie de traitement est employé ici pour indiquer que le même
opérateur
15 mathématique mono-trace ou molli-traces est appliqué au même instant sur
les trois composantes
de chaque trace, l'opérateur pouvant être variable en fonction du temps
d'arrivée sismique. Tout
algorithme de traitement de signal vérifiant cette caractéristique peut être
qualitïé d'isotrope et
être appliqué avec bénéfice au traitement des données de puits à trois
composantes, en particulier
pour éliminer les arrivées indésirables afin d'isoler les arrivées sismiques
recherchées. Un exemple
20 de résultat de cette opération d'extraction isotrope est montré aux Fig. 4
à 6 où apparaît
principalement le champ d'ondes réfléchies à trois composantes mis en temps
double vertical.
3 - Analyse des polarisations des arrivées recherchées après extraction
isotrope
D'une façon générale, les arrivées recherchées sont principalement les
réflexions en ondes
de pression (onde P) et les diffractions en onde P de polarisation linéaire
parallèle à la direction de
25 propagation ou les diffractions en ondes S, de polarisation linéaire ou
elliptique dans le plan
sensiblement orthogonal à la direction de propagation.
Si un seul type d'onde est présent à une profondeur et à un temps d'arrivée
donnés et dans
un ëventail de vitesses apparentes acceptable, sur le champ d'ondes P réfléchi
à trois composantes,
on peut mesurer sa polarisation directement (linéarité ou planéité,
orientation de la polarisation)
3r) sur une seule trace à trois composantes et à un temps donné. Les vitesses
apparentes et le type de
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polarisation permettent d'identifier le type d'onde (P ou S) auquel on a
affaire et d'en déduire la
direction de propagation.
Par contre, lorsque plusieurs arrivées d'onde du même type ou de types
différents arrivent
sur les mêmes capteurs quasiment en même temps et avec des vitesses apparentes
très voisines, et
donc des provenances différentes, il est plus difficile de les séparer les
unes des autres. C'est
pourquoi, une procédure d'analyse et de lecture directe par balayage angulaire
décrite ci-après, est
utilisée pour identifier et séparer le champ d'onde à trois composantes en
événements unitaires
discrets.
Comme le montre la Fig.7, on forme un tableau molli-fenêtres à deux dimensions
qui
It> représente une projection cylindrique déployée avec en abscisse, l'azimut
A entre 0° et 360°~et en
ordonnée, également, l'angle d'incidence (3 des arrivées entre 0° et
90° pur rapport à la verticale.
Chaque fenêtre représente les traces sismiques reçues dans un créneau temporel
donné, provenant
de la direction désignée par l'abscisse et l'ordonnëe qui correspondent à sa
position dans le
tableau. Sur une projection cylindrique d'une demi-sphère, le cercle
d'intersection avec un plan
passant par le centre apparaît comme une courbe sensiblement sinusoïdale
centrée sur l'équateur.
C'est sous cette forme qu'apparaissent sur la Fig.7 les lignes C l et C2
réunissant respectivement
les points des différentes fenêtres où deux événements sismiques polarisés
linéairement
respectivement E l et E2 ne sont plus repérables. Les azimuts des fenêtres
respectivement T 1, T2
où ces mêmes événements présentent un maximum observable se trouvent à
90° respectivement
du pied des deux courbes Cl, C2. Une telle représentation visuelle est commode
pour discriminer
plus aisément les arrivées interférées et pour identifier directement les
types d'onde observés et
leur nornbre.
Elle peut être complétée par des programmes de traitement automatique
permettant
d'isoler les différents événements sismiques décelés.
?5
~4 - Inversion des temps cl polarisation des arrivées réfléchies observées.
Dans un quatrième temps, lu méthode comporte une procédure d'inversion faisant
appel
par exemple à un programme classique de tracé de rai dans un modèle de vitesse
avec ou sans
anisotropie de couche, qui doit respecter les vitesses mesurées au puits W et
les pendages
observés sur les réflecteurs situés entre la source de surface et les capteurs
tri-axiaux G dans le
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puits. Le tracé de la partie rétléchie du rai peut s'effectuer par émergence u
partir des capteurs
Glana un cône d'incertitude autour de la direction spatiale de polarisation
mesurée du rai réfléchi.
Un exemple de propagation dans un modèle simplifié de formation avec deux
vitesses de
propagation VI, V2 est illustré aux Fig.8a (représentation dans l'espace), et
Fig.Bb (projection
i dans le plan de propagation du rai réfléchi). Par un lancer de rai, dans un
tel modèle, on détermine
la position du point de rétlexion Rpp de coordonnées (xr, yr, zr) d'où
proviennent les ondes de
pression reçues au point G avec l'angle d'inclinaison (3 et l'angle d'azimut
B, ainsi que le vecteur n
normal en Rpp au réflecteur 5. Les différents points de réflexion des oncles
de pression reçues,
repérês par cette inversion, peuvent être représentés dans l'espace. Par
cc7mmodité, on peut les
lu représenter par leurs projections clans différents plans. Les Fig. 9, 10
correspondent à des
projections des points de réflexion dans deux plans verticaux orientés
respectivement Ouest-Est
(W,E) et Nord-Sud (N,S) alors que la Fig.l I correspond à leur projection dans
un plan
horizontal.
Il est clair que, par exemple, les événements H3 et H3bis ainsi que H4 et
H4bis qui
~5 apparaissent interférés sur les Fig . 4, 5, 6, sont restitués de façon
distincte par la méthode
proposée, comme deux illuminations d'un même horizon sur les Fig. 9, 10, I1,
ce qui serait
impossible avec un traitement mono-composante selon les méthodes antérieures.
On voit donc que la méthode conduit à une solution unique à partir des données
de PSV
seules indépendamment de toutes autres données, résultats très utiles au
géologue, utilisateur tïnal
2o des résultats.
La procédure d'inversion ci dessus peut être considérablement simplifiée dans
la zone
environnant le puits où l'on pratique des sommations de traces le long d'un
couloir centré sur les
premières arrivées, technique dite de "Corridor Stack" par les spécialistes.
On peut considérer
dons ce cas que la normale N à un réflecteur 6 (Fig.l2) est lu bissectrice
entre la direction de
25 propagation du rayon direct D et la direction de propagation R du rayon
réfléchi, pour le domaine
des réflexions dans le voisinage immédiat du puits (loi de Descartes).
Inversion des diffractions majeures et des ondes réfractées de forte énergie
Lorsque des anomalies de forte énergie de type diffraction ou réfraction
secondaire sont
observées comme par exemple l'arrivée d'allure hyperbolique D (Fi~. 4, 5), il
convient en premier
30 lieu d'identifier le type d'onde reçue par les capteurs (onde P ou onde S),
afin d'attribuer à ces
singularités une vitesse de propagation au voisinage du capteur (vitesse P ou
vitesse S, ces
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vitesses étant mesurées grâce aux arrivées directes correspondantes). Une
anomalie est en
générale liée à la présence d'un accident géologique dans le voisinage du
puits de type faille ou
hétérogénéité de vitesse élevée. Un géophysicien averti sait identifier de
quel type d'anomalie il
s'agit et quel est le trajet sismique associé.
Cette identifïcation étant faite, une inversion combinant les temps d'arrivée
de ces
anomalies et leur polarisation permet de connaître lu profondeur ou
l'extension en profondeur de
l'accident qui les a générées, ainsi due la distance de celui-ci par rapport
au puits, dans la direction
azimutale de l'accident géologique.
Il ressort de cette opération par exemple, que l'anomalie D due l'on peut
observer sur les
1o Fig.4, 5, est restituée structuralement sur les schémas des Fig 13a, 13b en
projection verticale
(Fig.l3a) et en projection horizontale (Fig.l3b). Au vu des résultats, un
géophysicien. peut
expliquer au géologue que la branche montante de l'onde diffractée Sd, par
exemple, a des
polarisés opposées sur les composantes Z et HR (horizontales) et donc que
l'événement diffractant
D est situé dans le demi-plan au-delà du puits 2 relativement à la source I .
1â
5 - Imagerie
La méthode peut comporter ensuite une représentation 3D point par point des
arrivées
réfléchies migrées conduisant à une solution unique de schéma structural
géologique. Ce schéma
avec les vitesses et pendages associés, peut être utilisé comme modèle pour
produire une imagerie
20 sismique PSV en couverture multiple (du type"VSPCDP stack", on le rappelle)
molli-azimutale
2D ou même une véritable image de PSV en couverture multiple 3D (VSPCDP-3D),
en utilisant
des logiciels de traitement et d'imagerie connus. Comme on l'a vu, les Fig.
l4, 15 représentent les
champs d'ondes réfléchies séparées après analyse par projection cylindrique,
dui sont utilisés pour
produire des images en couverture multiple. Les Fig 16 et 17 correspondent aux
images en temps
25 des deux familles de réîlecteurs H3, H4 et H3bis, H4bis détectés et
représentés sur Fig 9, 10, 1 1
précédentes avec des pendages respectifs de I I ° (Dip I l °) et
22° (Dip 22°) dans les azimuts
respectifs N 108°E et N 147°E. par rapport au puits qui sont
visibles à environ 0,5s en temps
double.
On peut également représenter en 3D des points diffractants correspondant
généralement à
3tW n alignement 3D de points singuliers diffractants, par exemple une arête
de taille ou une limite de
falaise d'érosion et des plans de faille détectés comme une série de points
diffractants.
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On peut encore représenter en 3D des plans de faille ou des bordures de corps
géologiques
de vitesse rapide (diapirs de sel par exemple), après inversion des arrivées
réfractées de forte
énergie directes ou secondaires les plus évidentes.
Pour toutes ces représentations, il existe de nombreuses techniques connues de
l'homme
5 de l'art pour favoriser la compréhension et la lisibilité des images et de
leur signification
géologique pour le géologue interprétateur tinal.
