Brevet FR2678074A1 — publié le 19921224

i PROCEDE D'EXPLORATION GEOPHYSIQUE DESCRIPTION L'invention concerne un procédé d'explo- ration géophysique applicable notamment à l'exploration sismique, à l'exploration acoustique utilisée pour certaines mesures de diagraphie Dans le cas de l'ex- ploration sismique, l'invention s'applique particuliè- rement à la sismique entre puits. Lorsque l'on émet dans le sous-sol de l'énergie à partir d'une source sismique ou acoustique, une grande partie de cette energie rencontre diffé- rentes formations ou couches géologiques et y subit une atténuation avant d'être détectée par un ensemble récepteur. La détection par un ou plusieurs récepteurs va permettre, après avoir effectué de mul- tiples mesures et un traitement, d'obtenir une image de la structure du sous-sol. On peut considérer que le signal y(t) détecté par un récepteur est la réponse du sous-sol traversé par l'impulsion p(t) émise à partir d'une source émettrice. Cette réponse y(t) correspond plus préci- sément à la réponse c(t) du sous-sol à laquelle s'additionne du bruit n(t), tel que cela est schématisé sur la figure la. Pour illustrer le phénomène, on a repré- senté les figures la, lb qui sont des figures obtenues experimentalement dont une, la figure lb, est relative à l'émission d'une seule impulsion p(t) et dont l'autre, la figure lc, montre le signal détecté y(t). Le rapport signal à bruit est d'autant meilleur que la quantité d'énergie fournie par l'im- pulsion émise est importante. C'est pourquoi on cherche en général à fournir le plus d'énergie possible pour chaque mesure, ce qui se fait généralement en émettant soit des impulsions de durée courte mais d'intensité élevée, soit une série d'impulsions d'intensité plus faible mais pendant une durée relativement longue. L'émission d'impulsions d'intensité élevée n'est pas adaptée à toutes les applications Elle n'est pas adaptée notamment à la sismique de fond et en particulier à la sismique entre puits. En effet, dans ces deux cas les sources sismiques sont logées à l'intérieur du puits On ne peut utiliser des sources capables de fournir une énergie d'intensité suffisante sans risque d'endommager les puits Le même problème se pose dans le cas de l'exploration acoustique. On préfère alors émettre des séries d'impulsions à partir de transducteurs qui ont malheu- reusement des puissances crête limitées D'ailleurs, lorsque l'on dépasse ces limites, les transducteurs sont endommagés et même détruits. De toutes les façons, la puissance transmise par les câbles reliant les moyens de stockage de l'énergie dans les puits aux équipements extérieurs est également limitée. A la réception, on procède alors à un traitement consistant à réaliser pour une série d'impulsions donnée, une somme des signaux réponse afin de n'obtenir qu'un seul signal réponse. Cette méthode est connue sous la termino- logie anglo-saxonne de "stacking" et consiste à réaliser un moyennage de plusieurs signaux. Malheureusement, l'utilisation de la méthode de moyennage augmente considérablement les temps d'acquisition, augmentation qui s'avère être trop importante pour être acceptée dans le cas de la sismique de fond et en particulier pour la sismique entre puits. En effet, l'émission d'une série d'im- pulsions est une solution qui permet d'accroître le niveau du signal reçu dans le cas o l'on utilise des sources de puissance crête limitée car l'énergie est fournie alors à partir des N impulsions émises et séparées par des intervalles de temps réguliers. Cet intervalle de temps Tm ne peut être inférieur à la durée totale de la réponse du sous-sol C(t) afin de ne pas mélanger temporellement les réponses succes- sives Le temps total d'acquisition devient alors égal à N Tm. On a cherché à résoudre ce problème dans le cas de mesures de diagraphie en utilisant des impulsions codées On pourra se reporter par exemple à l'état de la technique que constitue le brevet US 4,326,129. Ce brevet enseigne en effet l'utilisation d'impulsions codées pour des mesures de diagraphie afin de réduire les temps d'acquisition trop importants par la technique de moyennage des signaux. Il ressort de ce document que l'on utilise une source d'énergie associée à des moyens de commande pour obtenir des séquences d'impulsions d'énergie pseudo-aléatoires. Ces séquences sont injectées dans le sous- sol à partir du puits et détectées après réflexion sur les différentes formations souterraines rencon- trées, par le ou les récepteurs placés dans le puits. Le traitement du signal détecté consiste ensuite à effectuer une corrélation entre ce signal détecté et Le signal émis Le traitement consiste par conséquent à réaliser une corrélation au moyen d'un corrélateur. Le signal réponse du sous-sol obtenu par l'opération de corrélation (entre le signal émis et le signa L détecté) présente des lobes secondaires. Ce traitement donne lieu par conséquent à un mauvais rapport signal à bruit. Le rapport signal à bruit est d'autant plus critique lorsque l'on applique La technique décrite dans ce brevet à la sismique de puits à puits. D'autre part, il est connu de L'état de La technique constitué par Le brevet US NI 4 969 129 d'améliorer Le rapport signal à bruit en excitant une source au moyen d'impulsions codées de type m séquences Cette solution présente l'avantage de ne pas générer de lobes secondaires. Les m séquences sont des séquences pério- diques dont La période est choisie de manière à ce qu'el Le soit supérieure au temps de réponse du sous sol. Un premier inconvénient de cette solution vient du fait qu'il est nécessaire d'enregistrer les signaux pendant au moins une période, ce qui a pour conséquence de demander beaucoup de place en mémoire, La période étant de L'ordre d'une seconde. Un deuxième inconvénient de la méthode vient du fait qu'il est nécessaire que l'émetteur et Le récepteur soient synchronisés pendant au moins deux périodes Cette nécessité implique L'utilisation d'horloges très précises La précision porte sur deux secondes dans Le cas d'une période d'une seconde. La présente invention a pour but de remé- dier à ces problèmes. Le procédé conforme à l'invention permet en effet d'obtenir un bon rapport signal à bruit. Le signal réponse des formations souterraines ne présente pas de lobes secondaires Les besoins en place mémoire et en précision d'horloge ne sont pas accrus. La présente invention permet en outre d'obtenir des signaux réponse ne présentant pas de lobes secondaires à la suite de l'émission simultanée par plusieurs sources, un seul récepteur ou un seul ensemble de récepteurs étant prévu pour détecter ces signaux. La présente invention a plus particuliè- rement pour objet un procédé d'exploration géophysique principalement caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: injecter un signal d'énergie sous la forme d'au moins deux séquences d'impulsions pseudo- aléatoires de type séquence complémentaire, dans le sous-sol, détecter le signal d'énergie après l'atténuation provoquée par la traversée de différentes formations souterraines, réaliser un ensemble de corrélations entre le signal détecté et un signal de référence comprenant au moins deux séquences binaires pseudo- aléatoires et, une sommation de ces corrélations de façon à ce que le signal résultant qui correspond au signal réponse du sous-sol ne présente pas de lobes secondaires. Selon une autre caractéristique de l'in- vention, le signal injecté comprend un nombre pair de séquences complémentaires, le signal de référence comprenant un même nombre de séquences pseudo-aléatoires de manière à ce que le signal réponse obtenu dans une fenêtre temporelle donnée en effectuant la somme des corrélations présente un maximum au centre de la fenêtre et des zéros partout ailleurs. Selon une autre caractéristique de l'invention, le signal injecté comporte deux séquences, cette paire de séquences étant des séquences de Golay, le signal de référence comprenant deux séquences binaires correspondant aux sequences de Golay. Conformément à l'invention, le signal injecté est injecté à partir de plusieurs sources qui émettent simultanément des séquences complémen- taires orthogonales. Conformément à l'invention, le signal injecté comporte une paire de séquences complémentaires orthogonales, l'injection de chaque séquence se faisant simultanément pour toutes les sources. Conformément à l'invention, les signaux sont injectés à partir de plusieurs sources situées chacune à l'intérieur de puits distincts, ces signaux étant détectés par un récepteur ou un ensemble de récepteurs situé à l'intérieur d'un puits. Le signal d'énergie injecté est alors de préférence un signal sismique. Conformément à l'invention, les signaux sont injectés à partir de plusieurs sources situées dans le même puits et détectés par un ensemble de récepteurs situés dans le même puits afin de réaliser des diagraphies. Le signal d'énergie injecté est alors de préférence un signal acoustique. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, donnée à titre illustratif mais non limi- tatif, en référence aux dessins annexés, sur lesquels: la figure la représente schématiquement le modèle réponse du sous-sol à l'envoi d'une impulsion, les figures lb, lc représentent une impulsion émise et la réponse à cette impulsion, la figure 2 représente le schéma de principe du procédé conforme à l'invention, les figures 3 a, 3 b représentent un exemple de deux séquences complémentaires, les figures 4 a et 4 b représentent les signaux de référence correspondant aux figures 3 a et 3 b selon l'invention, les figures 5 a, 5 b représentent les signaux obtenus après traitement des signaux des figures 3 a et 3 b, la figure 6 représente le signal réponse obtenu après traitement final, la figure 7 représente un deuxième exemple comprenant deux paires de séquences complémen- taires et les signaux de référence correspondant. Conformément à l'invention, le procédé consiste à injecter dans le sous-sol un signal d'énergie codé. Ce signal codé est obtenu à partir d'une source qui émet de l'énergie p(t) que l'on applique à l'entrée d'un filtre linéaire E(f). C'est donc le signal de sortie x(t) du fi Ltre qui est injecté dans le sous-sol et qui subit une atténuation en traversant différentes formations du sous-sol, avant d'être détecté par des moyens de réception qui peuvent être constitués d'un ou plusieurs récepteurs. Le signal s(t) détecté correspond en fait à la réponse du sous-sol à Laquelle se rajoute du bruit, un bruit n(t). A la réception, le traitement consiste à décoder le signal s(t) au moyen d'un filtre linéaire D(f) qui a une fonction de transfert inverse du filtre linéaire qui a servi au codage. C'est le signal y(t) de sortie du décodeur qui est traité et que l'on qualifie de signal réponse du sous-sol. La figure 2 représente de façon schématique un dispositif de mise en oeuvre du procédé L'ensemble r représente la réponse du sous-sol au signal x(t). Conformément à l'invention, le signal injecté dans le sous- sol est un signal d'énergie se présentant sous la forme de plusieurs séquences d'impulsions pseudo-aléatoires Ces séquences sont des séquences de type complémentaire. Les séquences complémentaires sont des séquences d'impulsions codées ayant des propriétés spécifiques, notamment l'orthogonalité On pourra se reporter à l'article IEEE Transactions Information Theory 18/5, 644-652, 2972 intitulé "Complementary Sets of Sequences" de C Tseng et C Liu. On pourra également se reporter à l'article IRE Transaction on Information Theory 82-87, 1961, dans lequel sont définies les séquences complémentaires et en particulier les séquences de Golay. Le procédé consiste ensuite à détecter le signal qui a subi une atténuation due à la traversée de différentes formations souterraines. Le procédé consiste enfin à réaliser une corrélation entre le signal détecté et un signal de référence. Ce signal de référence comprend plusieurs séquences d'impulsions pseudo-aléatoires, leur nombre correspondant au nombre de séquences du signal émis, ces séquences étant choisies de façon telle que le résultat de la corrélation donnant le signal réponse du sous-sol ne présente pas de lobes secondaires. Il est précisé par ailleurs que les signaux p(t) injectés peuvent avoir différentes formes: arcs de sinusoïde ou signaux carrés. En effet, même si les exemples qui sont donnés portent sur des signaux carrés, le signal p(t) injecté dans le sous-sol peut bien entendu tout aussi bien correspondre à une arche de sinusoîde qu'à un signal carré ou qu'à d'autres formes possibles. Le procédé va être plus amplement détaillé dans la suite à partir de deux exemples dans lesquels le signal injecté correspond à un signal constitué de séquences pseudo-aléatoires de type séquences com- plémentaires. Le premier exemple est illustré par les figures 3 a, 3 b et 4 a, 4 b et concerne l'injection dans le sous-sol de deux séquences de Golay Ga(k) et Gb(k). Les deux séquences de Golay comportent, comme on peut le voir sur ces figures, des impulsions d'amplitude positive et des impulsions d'amplitude négative qui obéissent aux critères développés dans les articles précédemment cités. Conformément à l'invention, le signal détecté y(t) est constitué d'une première réponse à la première séquence Ga(k) et d'une deuxième réponse à la séquence Gb(k). Conformément à l'invention, on va procéder dans ce cas à une corrélation notée R Ga Ba entre le premier signal détecté y 1 (t) et un signal de référence Ba qui est une séquence binaire correspondant à la première séquence émise Ga(k) La séquence Ba est représentée sur la figure 4 a Ainsi l'on a: R Ga Ba = Y 1 O Ba De la même façon on va procéder à une corrélation notée R Gb Bb entre le deuxième signal détecté y 2 (t) et une séquence de référence Bb qui est une séquence binaire correspondant à la deuxième séquence émise Gb(k) La séquence Bb est représenté sur La figure 4 b Ainsi l'on a: R Gb Bb = Y 2 ( Bb Le résultat de la première corrélation R Ga Ba(k)est montré sur la figure 5 a Le résultat de la deuxième corrélation R Gb Bb(k) est montré sur la figure 5 b. On procède ensuite, conformément au procédé, à une somme de ces deux corrélations pour obtenir le signal réponse R(k) qui est représenté sur la figure 6, soit: R = R Ga Ba + R Gb Bb Ces corrélations sont pratiquées dans une fenêtre temporelle et le résultat, que l'on peut voir sur la figure 6, montre que l'on a un maximum d'amplitude au centre de la fenêtre et des zéros partout ailleurs. Comme cela a été dit précédemment, un autre aspect de l'invention consiste à choisir le signal que l'on va injecter de manière à ce qu'il 1 1 soit constitué de plusieurs paires de séquences complé- mentaires orthogonales et à injecter ce signal à partir de plusieurs sources simultanément, la réponse du sous-sol à ces séquences étant reçues par un récepteur. Dans la description qui suit, l'exemple donné est celui de deux sources qui émettent simulta- nément des séquences de Golay telles que représentées sur la figure 7. Une première source émet les séquences Gal et Gbl tandis que simultanément une deuxième source émet les séquences Ga 2 et Gb 2. Selon cet aspect de l'invention, le procédé consiste alors à injecter simultanément les séquences Gai, Ga 2 puis Gbl, Gb 2 Un récepteur ou un ensemble de récepteurs permet de détecter les deux signaux Ra, Rb réponse du sous-sol correspondant à la combi- naison des séquences injectées simultanément: Ra = Yal + Ya 2 Rb = Ybl + Yb 2 Le traitement consiste alors à réaliser une corrélation du premier signal reçu Ra avec une séquence de référence qui est la séquence Bal, puis une corrélation du deuxième signal reçu Rb avec une séquence de référence qui est la séquence Bbl et enfin à réaliser la sommation de ces deux corrélations pour obtenir une première réponse r 1 du sous-sol au signal émis à partir de la première source 51: rl( 51) = Ra G Bal + Rb Bbl On procède de la même façon pour les deux autres séquences Ainsi, on réalise une corrélation entre le premier signal reçu Ra et la séquence Ba 2, puis une corrélation entre le deuxième signal reçu Rb et la séquence Bb 2 On effectue la somme de ces deux corrélations et on obtient ainsi le signal réponse r 2 correspondant au signal injecté par la deuxième source 52 r 2 ( 52) = Ra G Ba 2 + Rb( Bb 2 Ainsi le signal de référence utilisé dans ce cas pour réaliser l'opération de corrélation pour une source donnée est constitué de séquences binaires correspondant aux séquences utilisées pour cette source Les signaux de référence Bal, Bbl et Ba 2 et Bb 2 sont représentés sur la figure 7. D'autre part les séquences complémentaires choisies pour chaque source sont des séquences qui ont les propriétés d'orthogonalité entre elles. Les propriétés d'orthogonalité se résument de la façon suivante: Lorsque l'on réalise la corrélation entre les séquences émises simultanément par les différentes sources et que l'on réalise une addition de l'ensemble des corrélations, le résultat obtenu est zéro dans toute la fenêtre temporelle à l'intérieur de laquelle on réalise la corrélation. Ainsi, pour reprendre l'exemple qui a été donné, lorsque l'on réalise la corrélation entre les séquences Bal et Ba 2 et la corrélation entre les séquences Bb 1 et Bb 2 et que l'on effectue une somme entre ces corrélations, on obtient un zéro partout. Selon une autre caractéristique du procédé, les séquences complémentaires orthogonales peuvent être émises à partir de sources disposées dans des puits distincts, les signaux réponses à l'émission de chacune de ces sources étant reçus par un récepteur ou un ensemble de récepteurs placé dans un autre puits. Si l'on reprend l'exemple choisi précédem- ment appliqué à cet aspect de l'invention, une source est disposée dans un premier puits et va par exemple permettre d'injecter les séquences Gal et Gbl et une deuxième source disposée dans un deuxième puits va permettre d'injecter les séquences Ga 2 et Gb 2. Un récepteur ou un ensemble de récepteurs sera alors disposé dans un autre puits distinct des deux premiers. Les signaux injectés sont de préférence obtenus à partir de sources sismiques (les fréquences étant généralement inférieures à 1 K Hz). Il s'agit alors d'une application du pro- cédé à la sismique entre puits. Selon une autre caractéristique du procédé, les séquences complémentaires orthogonales peuvent être injectées à partir de sources disposées dans un même puits Le ou les récepteurs sont alors disposés dans ce puits Le procédé s'applique à la diagraphie. Comme exemple d'application, on peut citer la diagraphie de vitesse acoustique et plus spécia- lement les outils comportant plusieurs sources de nature différente, telles qu'un monopôle et deux dipôles horizontaux orientés perpendiculairement entre eux La source monopolaire permet d'obtenir la vitesse compressionnelle, les sources dipolaires la vitesse de cisaillement dans deux directions différentes. Le temps d'acquisition d'une mesure est limité par la vitesse de déplacement de l'outil de diagraphie Par conséquent, l'utilisation de séquences complémentaires pour exciter une source permet une amélioration du rapport signal/bruit par augmentation de L'énergie totale émise pendant un temps donné. L'excitation simultanée de plusieurs des sources (mono- polaire et dipolaire) par des séquences complémentaires orthogonales permet d'augmenter encore l'énergie émise par chacune de ces sources et d'augmenter la qualité de La mesure De plus, l'excitation simultanée des sources permet d'effectuer les différentes mesures (vitesses compressionnelle et de cisaillement) exactement au même instant et par conséquent en face de la même formation. Les signaux injectés dans cette deuxième application sont de préférence obtenus à partir de sources acoustiques (les fréquences sont généralement de l'ordre de 5 K Hz). REVENDICATIONS 1 Procédé d'exploration géophysique carac- térisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: injecter un signal d'énergie sous la forme d'au moins deux séquences d'impulsions pseudo- aléatoires de type séquences complémentaires dans le sous-sol, détecter le signal d'énergie après l'atténuation provoquée par la traversée de différentes formations souterraines, réaliser des corrélations entre les signaux détectés et un signal de référence comprenant au moins deux séquences binaires pseudo-aléatoires et, une sommation des corrélations de sorte que le signal résultant, qui correspond au signal réponse du sous-sol, ne présente pas de lobes secondaires. 2 Procédé d'exploration géophysique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le signal injecté comprend un nombre pair de séquences complémen- taires, le signal de référence comprenant un même nombre de séquences pseudo-aléatoires, de manière à ce que le signal réponse obtenu dans une fenêtre temporelle donnée en effectuant la somme des corré- lations présente un maximum au centre de la fenêtre et des zéros partout ailleurs. 3 Procédé d'exploration géophysique selon la revendication 2, caractérisé en ce que le signal injecté comporte deux séquences, cette paire de séquences étant des séquences de Golay, et en ce que le signal de référence comprend deux séquences binaires correspondant aux séquences de Golay. 4 Procédé d'exploration géophysique selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il consiste à injecter les séquences complémentaires orthogonales à partir de plusieurs sources qui émettent simulta- nément. Procédé d'exploration géophysique selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il consiste à injecter au moins une paire de séquences complémen- taires par source, l'injection de chaque séquence se faisant simultanément pour toutes les sources. 6 Procédé d'exploration géophysique selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il consiste à injecter les séquences complémentaires à partir de sources disposées dans des puits distincts. 7 Procédé d'exploration géophysique selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il consiste à injecter les séquences complémentaires à partir de sources disposées dans un même puits. 8 Procédé d'exploration géophysique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le signal d'énergie est un signal sismique. 9 Procédé d'exploration géophysique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 et 7, carac- térisé en ce que le signal d'énergie est un signal acoustique.