Brevet FR2759172A1 — publié le 19980807

La présente invention concerne une méthode de traitement de données sismiques multi composantes orientés, obtenues dans un puits de réception et plus particulièrement de données sismiques obtenues lors d'opérations de profil sismique vcrticale (PSV) avec réception des ondes sismiques par un ou plusieurs capteurs multi-axes couplés avec les formations environnant un puits et une source sismique disposée en surface, dans 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 et 2 656 034 du demandeur. Etat de la technique: Il est usuel lors de l'exploitation des données sismiques, obtenues par une méthode de type PSV, au moyen de récepteurs multi-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. 14, 1983; ou - Mari, J.L. et ali "Seismic Well Surveying", 1991, Editions Technip, Paris. Il 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. 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 réflecteurs est inconnue. De plus, lorsque deux événements sismiques arrivent en même temps avec des vitesses apparentes voisines et figurent sur quelques traces profondeur consécutives (6 à 12 par exemple), on vérifie 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 sismiques multi-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 dans le sol par une source sismique (en surface, dans le même puits que les capteurs ou dans un puits différent). Elle est caractérisée en ce qu'elle comporte l'affectation aux données sismiques reçues, de données définissant l'orientation dans l'espace des capteurs sismiques multi- 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 multi-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 diffractées ou réfractées), le repérage dans l'espace. à chaque capteur multi-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 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 o cet événement engendre les traces les plus tfortes et de chaque événement sismique en onde S, par identification de la position de la fenêtre o cet 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 par exemple: - le point miroir ayant réfléchi 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 lecture de la description ci-après en se référant aux dessins annexes o: - les Fig. 1, 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 multi-axes; - la Fig.3 représente un organigramme résumant l'ensemble des opérations à effectuer pour mettre en ceuvre 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 immédiate du puits, o 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 o des événements sismiques présentent un maximum; - les Fig.8a, 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.9, 10, i l 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. 12 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 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; - les Fig. 14, 15 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 faudra comprendre dans la suite de la description comme désignant spécifiquement ce que les spécialistes appellent "VSPCDP stack"; - la Fig. 16 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. 15: et - la Fig. 17 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. 15. Description de la méthode: I( La méthode selon l'invention est mise en oeuvre au moyen de capteurs multi- 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 simplifié 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 o 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. 1. 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. Il faut au préalable isoler parmi les ondes reçues, celles qui correspondent aux ondcles de pression réfléchies. 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 dans des outils ou sondes descendus 0 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. 1 - 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. Il petit s'agir de moyens magnétiques d'orientation repérant la direction du champ ( magnétique terrestre, si l'on opère en trou ouvert, et/ou des inclinomètres, ou plus rarement à cause de son coût élevé, 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 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 cela que les ari-rivées 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, 1990, vol.55 N 10, pp. 1386-1388: et peut être mise en oeuvre au moyen de logiciels de réorientation tels que Géovecteur de la 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 - Extraction isotrope des ondes sismiques utiles en trois composantes Si l'on désire mesurer des paramètres de polarisation du mouvement des particules dans l'espace, à partir des signaux reçus par les capteurs tri-axiaux, il est nécessaire de conserver les 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 multi-traces de séparation d'événements de vitesses apparentes différentes, soit dans un repère de coordonnées géographiques absolu, soit dans 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, * l'égalisation dynamique, les déconvolutions quel que soit leur type. les corrections statiques et les corrections dynamiques (moveout), * l'addition / soustraction mono-trace ou multi-trace, la réduction du bruit aléatoire, etc. Le terme isotropie de traitement est employé ici pour indiquer que le même opérateur mathématique mono-trace ou multi- 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 qualifié 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 de résultat de cette opération d'extraction isotrope est montré aux Fig. 4 à 6 o 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 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 éventail 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) sur une seule trace à trois composantes et à un temps donné. Les vitesses apparentes et le type de 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 multi-tfenêtres à deux dimensions qui représente une projection cylindrique déployée avec en abscisse. l'azimut 0 entre 0 et 360 et en ordonnée, également, l'angle d'incidence P des arrivées entre 0 et 90 par 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'ordonnée 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 Iet C2 réunissant respectivement les points des différentes fenêtres o deux événements sismiques polarisés linéairement respectivement El et E2 ne sont plus repérables. Les azimuts des fenêtres respectivement T l, T2 o ces mêmes événements présentent un maximum observable se trouvent à 90 respectivement du pied des deux courbes C I,. 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 nombre. Elle peut être complétée par des programmes de traitement automatique permettant d'isoler les différents événements sismiques décelés. I() 4 - Inversion des temps et polarisation des arrivées réfléchies observées. Dans Lun quatrième temps, la 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 puits. Le tracé de la partie réfléchie du rai peut s'effectuer par émergence à partir des capteurs dans 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 V I, V2 est illustré aux Fig.8a (représentation dans l'espace), et Fig.8b (projection dans le plan de propagation du rai réfléchi). Par un lancer de rai, dans un tel modèle, on détermine la position du point de réflexion Rpp de coordonnées (xr, yr, zr) d'o proviennent les ondes de pression reçues au point G avec l'angle d'inclinaison 3 et l'angle d'azimut O, ainsi que le vecteur n normal en Rpp au réflecteur 5. Les différents points de réflexion des ondes de pression reçues, repérés par cette inversion, peuvent être représentés dans l'espace. Par commodité, on peut les représenter par leurs projections dans 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. 1 1 correspond à leur projection dans un plan horizontal. 11 est clair que, par exemple, les événements H3 et H3bis ainsi que H4 et H4bis qui 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, 10,1 1, 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 final des résultats. I La procédure d'inversion ci dessus peut être considérablement simplifiée dans la zone environnant le puits o 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 dans ce cas que la normale N à un réflecteur 6 (Fig. 12) est la bissectrice entre la direction de 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 (Fig. 4, 5), il convient en premier 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 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 identification étant faite, une inversion combinant les temps d'arrivée de ces anomalies et leur polarisation permet de connaître la profondeur ou l'extension en profondeur de l'accident qui les a générées, ainsi que 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 que l'on peut observer sur les Fig.4, 5, est restituée structuralement sur les schémas des Fig 13a, 1 3b en projection verticale (Fig. 1 3a) et en projection horizontale (Fig. 1 3b). Au vu des résultats, un géophysicien peut expliquer au géologue que la branche montante de l'onde diffractée Sd, par exemple, a des polarités 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 1. - 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 sismique PSV en couverture multiple (du type"VSPCDP stack", on le rappelle) multi-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. 14, 15 représentent les champs d'ondes réfléchies séparées après analyse par projection cylindrique, qui sont utilisés pour produire des images en couverture multiple. Les Fig 16 et 17 correspondent aux images en temps des deux familles de réflecteurs H3, H4 et H3bis, H4bis détectés et représentés sur Fig 9, 10, 11 précédentes avec des pendages respectifs de 1 1 (Dipl 1 ) 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 un alignement 3D de points singuliers diffractants, par exemple une arête de faille ou une limite de falaise d'érosion et des plans de faille détectés comme une série de points diffractants. 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 de l'art pour favoriser la compréhension et la lisibilité des images et de leur signification géologique pour le géologue interprétateur final. REVENDICATIONS 1) Méthode de prospection sismique comportant la réception par des capteurs sismiques multi-axes disposés dans un puits (2) 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 (1), caractérisée en ce qu'elle comporte l'affectation aux données sismiques reçues, de données définissant l'orientation dans l'espace des capteurs sismiques multi-axes de réception, l'application en parallèle aux trois composantes des ondes reçues d'opérateurs de traitement permettant la sélection parmi les ondes polarisées reçues à chaque capteur multi-axes, des ondes utiles à la caractérisation de la structure géologique dans le voisinage du puits, telles que par exemple les ondes P ou S réfléchies ainsi que les arrivées P ou S diffractées ou réfractées, le repérage dans l'espace, à chaque capteur multi-axes, des directions de provenance respectives de ces ondes polarisées et le positionnement dans l'espace des événements sismiques ayant généré lesdites ondes. 2) Méthode selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte la formation d'une image cylindrique développée constituée de fenêtres juxtaposées, chacune d'elles contenant les traces sismiques reçues dans un créneau de temps déterminé, provenant de la direction azimutale (0) définie par l'abscisse et de la direction inclinée (3) définie par l'ordonnée, permettant une discrimination de chaque événement sismique en onde P par identification de la position de la fenêtre o cet événement engendre les traces les plus fortes et de chaque événement sismique en onde S par identification de la position de la fenêtre o cet événement engendre les traces les moins fortes. 3) Méthode selon la revendication I ou 2, caractérisé en ce qu'elle comporte une étape d'inversion conjointe des temps et de la polarisation des arrivées réfléchies préalablement mesurées, de manière à restituer la position spatiale en 3D de points du milieu ayant réfléchi, diffracté ou réfracté des ondes. 4) Méthode selon la revendication précédente, caractérisée en ce quelle comporte une inversion par lancer de rai. 5) Méthode selon l'une des revendications précédentes. caractérisé en ce qu'elle comporte la restitution des pendages au voisinage immédiat du puits. 6) Méthode selon la revendication 3, caractérisée en ce qu'elle comporte une représentation des événements sismiques par leur projection dans un ou plusieurs plans. 7) Méthode selon la revendication 5, caractérisée en ce qu'elle comporte une représentation sous forme de logs de pendage, des événements sismiques situés au voisinage immédiat du puits, dans l'épaisseur de zone. 8) Méthode selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce la source sismique (1) est disposée en surface, ou dans le même puits que les capteurs multi-composants ou dans un autre puits voisin.