Brevet FR2799552A1 — publié le 20010413

TRAITEMENT DE MESURES DE FORMES D'ONDES ACOUSTIQUES PROVENANT D'OUTILS DE DIAGRAPHIE DE SONDAGE EN MATRICE Domaine technique La présente invention concerne des procédés pour traiter des mesures de formes d'ondes acoustiques, particulier des mesures de formes d'ondes acoustiques effectuées dans le but de caractériser les propriétes de formations souterraines. L'invention concerne en particulier des procédés de traitement de mesures acoustiques réalisées avec des outils en matrice. Etat de la technique antérieure Les outils de diagraphie acoustique, destinés être utilisés pour caractériser des formations souterraines entourant un sondage en mesurant effets de la formation sur un signal acoustique se propageant à travers celui-ci, sont bien connus. Ces outils comportent couramment une matrice de transducteurs, habituellement des récepteurs, destinés à améliorer la sensibilité et la précision des mesures effectuées. Un exemple d'un outil en matrice destiné à être utilisé dans un sondage pour des mesures acoustiques est l'outil DSI de Schlumberger, qui est représenté schématiquement sur la figure 1. L'outil DSI comprend une partie émettrice 10 possédant une paire de sources de dipôles (supérieure et inférieure) 12, agencées orthogonalement dans le plan radial et une source monopôle 14. Un joint d'isolation acoustique 16 raccorde la partie émettrice 10 à une partie réceptrice 18 qui contient une matrice de huit stations réceptrices séparées, contenant chacune deux paires d'hydrophones, l'une orientée en ligne avec l'une des sources de dipôles, l'autre avec la source orthogonale. Une cartouche de circuits électroniques 20 est connectée au sommet de la partie réceptrice 18 et permet une communication entre l'outil et une unité de commande 22 située à la surface, par 'intermédiaire d'un câble électrique 24. Avec un tel outil, il est possible d'effectuer des mesures à la fois de monopoles et de dipôles. L'outil DSI possède plusieurs modes de fonctionnement d'acquisition de données tous pouvant être combinés pour acquérir (numériser) des formes d'ondes. Les modes sont : mode de dipôles supérieur et inférieur (UDP, =)-formes d'ondes enregistrées à partir de paires de récepteurs alignées avec la source de dipôles respective utilisée pour générer le signal ; mode à dipôles croisés-formes d'ondes enregistrées à partir de chaque paire de récepteurs pour amorcer la source de dipôles en ligne et croisés ; modes Stoneley- formes d'ondes de monopoles provenant l'amorçage à basse fréquence de la source monopôle ; modes P et S (P & S)-formes d'ondes de monopoles provenant de l'amorçage à haute fréquence de l'émetteur monopôle ; et premier mode de mouvement-seuil de monopôle croisant des données provenant de l'amorçage à haute fréquence de la source monopôle. Une façon de déterminer les lenteurs de cisaillement et de Stoneley en compression à partir de ces mesures consiste à utiliser un traitement de cohérence lenteur-temps (STC). Le traitement STC est une technique d'analyse de formes d'ondes complètes qui a pour but de trouver toutes les ondes se propageant dans la forme d'onde composite. Le traitement adopte un algorithme de similitude pour détecter des arrivées qui sont cohérentes sur la matrice de récepteurs et estime leur lenteur. L'algorithme de base fait avancer une fenêtre temporelle de longueur fixe sur longueurs d'ondes, par petits échelons se recouvrant, sur une plage de temps d'arrivée potentiels. Pour chaque position dans le temps, la position de fenêtre est déplacée linéairement dans le temps, sur les formes d'ondes de la matrice de récepteurs, en commençant par un déplacement correspondant à l'onde la plus rapide attendue et en passant à l'onde la plus lente attendue. Pour chaque déplacement, une fonction de cohérence est calculée pour mesurer la similitude des ondes à l'intérieur de la fenêtre. Lorsque la fenêtre temporelle et le déplacement correspondent au temps d'arrivée et à la lenteur d'un composant particulier, les formes d'ondes à l'intérieur de la fenêtre sont presque identiques, fournissant une valeur de cohérence élevée. De cette manière, l'ensemble de formes d'ondes provenant de la matrice est examiné sur une certaine plage de temps d'arrivée possibles et de lenteurs pour les composantes de la forme d'ondes. Le traitement STC produit des tirs de contours de cohérence (similitude) dans le plan lenteur/temps d'arrivée. Les régions de cohérence forte correspondent à des arrivées particulières dans les formes d'ondes. La lenteur et le temps d'arrivée à chaque crête de cohérence sont comparés aux caractéristiques de propagation attendues des arrivées recherchées et celles qui correspondent le mieux à ces caractéristiques sont conservées. La classification des arrivées de cette manière produit un enregistrement continu de lenteur en fonction de la profondeur. Pour des ondes dispersives, le traitement STC est modifié pour prendre en compte l'effet de la fréquence. Puisque la sortie du traitement STC est un tracé de cohérence, la cohérence de chaque arrivée peut etre utilisée comme indicateur de qualité, des valeurs supérieures entraînant un caractère répétitif de la mesure plus important. Lors du traitement de formes 'ondes de dipôles, l'une des crêtes de cohérence correspond au mode en flexion, mais avec une lenteur qui est toujours plus grande (plus lente) que la lenteur de cisaillement réelle. Une correction calculée à l'avance est utilisée pour supprimer ce biais. D'autres détails concernant le traitement STC peuvent trouver dans Kimball C. V. and Marzetta T.L., "Sernblance processing of borehole acoustic array data" Geophysics, Vol. 49, No. 3 (mars 1984) ; pages 274-28I. Pour compenser les variations des mesures dues forage plutôt que celles dues à la formation, une série mesures sont effectuées sur un intervalle dans lequel les propriétés de la formation sont attendues peu varier, s'il y a lieu. Dans sa forme la plus simple, l'intervalle correspond à l'importance de matrice de récepteurs et aux formes d'ondes au niveau de chaque station réceptrice, mesurées pour un amorçage donné d'une source ("matrice de récepteurs" ou "mode récepteur" ou "Rec."). Dans le traitement STC simple toutes les stations réceptrices sont considérées. Dans traitement STC à tirs multiples (MSTC), des matrices secondaires de stations réceptrices à l'intérieur de la matrice de récepteurs sont considérées, par exemple, matrice secondaire de cinq stations réceptrices dans une matrice de récepteurs de huit stations receptrices (d'autres nombres de stations réceptrices dans la matrice secondaire peuvent être utilisés en fonction des exigences). Dans ce cas, le même intervalle de formation correspondant à l'étendue d'une matrice secondaire de cinq stations réceptrices peut être mesuré plusieurs fois tandis que l'outil sonde le forage, les cinq stations constituant la matrice secondaire étant choisies au niveau de chaque amorçage de source pour mesurer le même intervalle de formation. Une autre approche, appelée "mode émetteur" ou "matrice pseudo-émetteur" ("Tra."), prend les formes d'ondes provenant d'amorçage de sources séquentielles ' mesure l'émetteur passe le long de l'intervalle à mesurer. Pour compenser le mouvement de l'outil entre les mesures, une station réceptrice effectivement immobile ou une matrice secondaire doit être utilisée. Ceci peut être obtenu en modifiant la station réceptrice considérée de façon que sa position dans le forage soit effectivement immobile lorsque l'émetteur se déplace à travers l'intervalle. Une compensation de forage ("BHC") peut être réalisée pour les résultats modes P et S, en traitant les formes d'ondes de la matrice de récepteurs et de la matrice de pseudo-émetteurs et en moyennant les résultats. Un exemple schématique d'un outil de matrice de huit récepteurs effectuant des mesures sur un certain intervalle de profondeur d'une longueur de cinq récepteurs pour des amorçages successifs d'un émetteur, est représenté sur la figure 2. En utilisant la matrice secondaire de cinq récepteurs, quatre mesures sont effectuées même intervalle de profondeur, avec l'émetteur dans les positions i, i+1, i+2 et i+3. Le traitement de chaque matrice secondaire produit une série de tracés temporels de ralentissement comme représenté la figure 3(a). S'il est désiré combiner les informations obtenues à partir de cette série d'amorçages d'émetteurs, il est nécessaire de prendre en compte le décalage temporel entre chaque matrice secondaire dû au mouvement de la source. Ceci a été obtenu précédemment en projetant chaque tracé temporel de lenteur sur l'axe de lenteur (figure 3(b)), suivi par l'empilement des quatre tracés en un (figure 3(c)). D'autres détails concernant cette approche peuvent se trouver dans HSU K. and Chang S. K., "Multiple-shot processing of array sonic waveforms", Geophysics, Vol. 52, No. 10 (octobre 1987) ; pages 1376-1390. Il faut comprendre que l'effondrement des tracés ST séparés sur l'axe de lenteur fournit des informations utiles dérivées de l'axe des temps de chaque tracé. US 4 543 648 décrit également des procédés de traitement d'un tir à un autre de formes d'ondes acoustiques. Exposé de l'invention Cette invention fournit des procédés pour traiter enregistrements de diagraphie acoustique obtenus à partir d'un outil de diagraphie comportant une matrice R récepteurs, comprenant la sélection d'une dimension de matrice secondaire Rsb récepteurs, avec Rsb Il est préféré utiliser le nombre maximum possible de matrices secondaires pour une matrice de récepteurs donnée pour maximiser la quantité d'informations obtenues à partir de la formation. Pour une matrice de R recepteurs (fournie parfois ci-dessous par Nrcvr) , le nombre maximum de matrices secondaires Nsb de Rsb récepteurs en longueur, est fourni par Nsb = R _ Rsb + 1 (1) Pour un outil à matrice de huit récepteurs, une dimension de matrice secondaire de cinq récepteurs permet d'enregistrer quatre ensembles de formes d'ondes pour une profondeur donnée. L'identification des traces (formes d'ondes) à enregistrer peut être obtenue en calculant une matrice géométrique G de dimension Nsb sur Rsb, qui fournit les récepteurs à considérer pour chaque tir à une profondeur donnée. L'identification des traces à partir de matrice complète pour chaque tir peut être obtenue en calculant une matrice de tirs multiples M de dimension Nsb. Nrcvr + Nsb - 1 (2) Les traces qui ne sont pas considérées à partir d'un tir donné reçoivent des valeurs de 0 dans une telle matrice. Le récepteur de référence rref pour un ensemble de matrices secondaires est identifié d'apres la relation (1), où Nsb identifie également la position du récepteur de référence rref dans la matrice. Brève description des dessins La figure 1 représente un outil de diagraphie acoustique de l'art antérieur ; la figure 2 représente un dessin schématique d'une mesure de tirs multiples d'une région de forage ; les figures 3(a) à 3(c) représentent un tracé illustrant un aménagement de traitement de l'art antérieur ; et la figure 4 représente un organigramme avec les principales étapes de traitement d'un procédé selon l'invention. Exposé d'un mode de réalisation L'invention va être décrite au moyen d'un exemple, en référence à une matrice de huit récepteurs (outil du type DSI) utilisant des matrices secondaires de cinq récepteurs en longueur. Il faut comprendre que le nombre de récepteurs dans la matrice peut être différent en fonction du type d'outil utilisé. Dans cette description, le terme "récepteur est utilisé pour se référer à des détecteurs uniques (par exemple, hydrophones) ou à une station avec un certain nombre de détecteurs disposés autour de la circonférence de l'outil à un certain nombre de niveaux (par exemple, quatre hydrophones au niveau de chaque station réceptrice). Le nombre de récepteurs dans chaque matrice secondaire est également choisi par l'utilisateur. La matrice secondaire la plus petite comporte trois récepteurs car le traitement d'un plan lenteur-temps nécessite l'utilisation de paires de mesures de temps d'arrivée, typiquement, à partir de paires adjacentes de récepteurs. La dimension de la matrice secondaire détermine la résolution de la détermination de la lenteur effectuée finalement, plus la matrice est petite, plus le lit pouvant etre mesuré est mince. Pour un outil avec un espacement de récepteurs de 6", ceci signifie qu'un outil à huit récepteurs peut mesurer des intervalles de profondeur entre l' et 3,5'. Des descriptions générales des techniques d'acquisition et de traitement pouvant être appliquées à cette invention peuvent se trouver dans la demande de brevet UK No. 9907620.0 et dans US 4 8 236, US 5 278 805 et US 5 594 706. Le traitement de la présente invention tente d'améliorer la résolution des calculs matrice complète STC (DSTC) dispersive en traitant les résultats provenant de matrices secondaires et en suréchantillonnant l'intervalle intéressant. Bien que ceci réduise la quantité de données disponibles provenant de chaque matrice secondaire, fait que l'outil ait des occasions multiples d'échantillonner la région avec des matrices secondaires différentes de la même taille signifie que ceci peut être compensé avec la redondance des données obtenues en empilant les plans ST. La méthodologie de traitement générale de la présente invention est la suivante Dans le cas de tirs multiples à profondeur A1 est la forme d'onde appliquée a l'entrée du traitement STC. i est le nombre de matrices secondaires (i = , N) . Fi est le plan ST calculé pour la matrice secondaire i. Une trame est représentée comme une fonction deux paramètres Fi = Fi (t, S) , où t est le temps et S la lenteur. Pour N matrices secondaires, N = 1, 5 par exemple, cinq trames F = {F1, F2, F3, F4, F5} sont obtenues, où F est la famille de trames à profondeur Z. Le de la technique à tirs multiples consiste a calculer Mais puisqu'il existe un décalage de temps entre deux trames consécutives, il est nécessaire de prendre en compte ce décalage de temps avant d'empiler les plans Entre les trames Fi et Fi-,, l'outil se déplace d'une distance connue d = Oz (voir la figure 2). Cette distance d est connue. Le mouvement de l'outil entre des tirs consécutifs signifie qu'il existe un décalage de temps entre les différentes matrices secondaires. Pour trame Fi(t,S) et un point A(ti, Si) situé dans ce plan ST, pour décaler ce point dans le temps, il est nécessaire de le décaler de la valeur tti = ti.d S (ti) (4) Pour l'ensemble de la trame, après décalage de temps, ceci donne F'i rS) = Fi(t-(i-1)d.S(t),S) (5) Cette équation, appelée équation de décalage de temps, fournit la relation entre une trame de données avant après correction de temps. La connaissance de la façon de corriger ce décalage de temps permet de définir une équation générale de la technique de traitement à tirs multiples. commençant par l'équation (5) ci-dessus, il est possible de la réécrire sous la forme d'une equation générale F (t,s) = Fi(t,s) *8(t-(i-1)d.s(t) ,s) (6) * est l'opérateur de convolution sur la variable t. Pour rééchantillonner la trame pour l'empiler avec les autres, la fonction shah est utilisée, définie par Pour un signal s(t), il est possible de réécrire ce signal sous la forme (t) = s (t) shah(-) (8) Ainsi, le signal s (t) et discrétisé avec taux d'échantillonnage La réécriture de l'équation sur une trame décalée dans le temps et après rééchantillonnage donne réagençant l'équation (9), on obtient Ceci définit la transformation à appliquer sur chaque trame avant empilement. Connaissant la transformation qu'il est nécessaire d'appliquer sur une trame i, il est possible d'écrire l'équation générale de traitement de tirs multiples. Pour un niveau Z donné, celle-ci est nT) (11) La partie 8(t-(i-1)d.S(t)) est 'opération de décalage dans le temps. Puisque celle- ' est la partie la plus coûteuse en temps CPU, elle est optimisée en utilisant l'opérateur de décalage de temps optimum déterminé de la manière suivante En général, l'opérateur de décalage dans le temps peut être décomposé en deux parties Za = Zn + Z# où n= [a] (: partie entière) et a=a-n(@(x j Zn peut être obtenu par simple rééchantillonnage. Il existe un grand nombre de manières pour décaler les données de a échantillons. Une opération du déphasage dans le domaine fréquentiel est une possibilité. Toutefois, lorsque les données sont dans le domaine temporel, il peut être coûteux de transformer les données du domaine temporel à fréquentiel et d'y revenir à la fin. Le processus propose ici une convolution standard utilisant un opérateur tronqué. Une quelconque série dans le temps peut être exprimée par En conséquence, un décalage appliqué à la série dans le temps est équivalent à l'application d'un décalage avec un changement de signe sur fonction $. Pour une série dans le temps de quatre échantillons, par exemple, les opérateurs pour la transformation de Fourier rapide, le décalage dans le temps et la transformation inverse, peuvent être exprimés sous la forme matricielle i) Transformation de Fourier rapide Opérateurs de décalage dans le temps dans le domaine fréquentiel ou A = na/2 Opérateur de transformation de Fourier inverse 'application de ces opérateurs la fonction delta donne (n1 - 7, ` _ (sin'8=sin9)Z-'+(cos'-9+cose)+ 2 (sin' 6 - sin 8)Z + (cos' 0 - cos 6)Z' L'équation (11) est l'équation générale de tirs multiples qui ne fait aucune hypothèse sur l'outil utilisé mais qui suppose un milieu homogène. Pour éviter le problème d'un temps calcul important pour le rééchantillonnage dans le temps et le décalage dans le temps pendant l'exécution procédé général, la présente invention tire avantage du fait que l'espacement des récepteurs et mouvement de l'outil d'un incrément de profondeur sont les mêmes pour calculer le décalage dans temps pendant le traitement d'un plan ST pour chaque matrice secondaire. Dans le cas présent, le récepteur de référence de chaque matrice secondaire est remplacé avant de calculer la similitude de cette matrice secondaire pour prendre en compte le mouvement de l'outil et le décalage dans le temps. L'approche préférée consiste à utiliser comme référence le premier récepteur de la première matrice secondaire, deuxième récepteur de la deuxième matrice secondaire et ainsi de suite. À chaque fois, la similitude pour chacune de ces matrices secondaires est calculée. Ceci prend en compte le décalage de temps entre différentes matrices secondaires, de sorte qu'il est possible d'empiler les similitudes immédiatement après calcul, le décalage dans le temps entre les différentes matrices secondaires étant pris en compte. I1 faut comprendre que l'effet de remplacement du récepteur de référence de cette manière a pour effet d'utiliser la sortie d'un seul récepteur comme référence pour chaque tir (car ce récepteur change de position dans la matrice secondaire à mesure que l'outil progresse dans le forage). Dans l'exemple de la figure 2, le récepteur 4 est le récepteur de référence. Après avoir effectué la correction décalage de temps et la similitude pour chaque matrice secondaire calculée, il est nécessaire d'empiler plans ST. Ceci peut être réalisé en utilisant une moyenne algébrique ou une moyenne géométrique. La moyenne algébrique peut être calculée comme suit . où Fi est le plan ST calculé pour une matrice secondaire et N est le nombre de matrices secondaires utilisées pour calculer le résultat de tirs multiples final . moyenne géométrique peut être calculée comme suit . Puisque l'effet d'un mauvais plan ST est moindre si la moyenne algébrique est utilisée plutôt que la moyenne géométrique, la moyenne algébrique est la forme préférée d'empilement. I1 existe deux autres moyens pour calculer le résultat de tirs multiples final. Une carte de similitude de plans ST est définie comme le rapport entre l'énergie de cohérence Ci(S,t) l'énergie totale Ti(S,t), en conséquence Il est possible de calculer le plan final en calculant le plan ST de tirs multiples final selon l'équation 12 ou en empilant d'abord l'énergie de cohérence et l'énergie totale séparément puis, en calculant les tirs multiples finaux comme le rapport entre l'empilement de l'énergie de cohérence et de l'énergie totale. Dans la seconde technique, ce qui suit est calculé La comparaison des résultats entre les deux procédés ne présente aucune différence significative dans la précision du résultat et le premier procédé préféré, car il est plus facile à mettre en oeuvre avec les procédés STC actuellement utilisés. Un traitement efficace de données à tirs multiples nécessite que ce qui suit soit déterminé 1. Le nombre de matrices secondaires utilisees pour calculer les tirs multiples. 2. L'identification des traces d'entrée requises pour chaque matrice secondaire comprenant le résultat de tirs multiples à une profondeur donnée. 3. La sélection automatique du récepteur de référence pour chaque matrice secondaire selon configuration utilisée. Pour un outil avec R récepteurs, Rsb est le nombre de récepteurs dans une matrice secondaire. Ce nombre est choisi par l'utilisateur et est lié à la résolution à obtenir. Par définition, sa limite inférieure est Le nombre de change pas le traitement réel mais seule l'interprétation physique du résultat du traitement. est le nombre maximum de matrices secondaires utilisées pour calculer les tirs multiples. Cette valeur est égale au nombre de profondeurs de mesure dont l'outil déplacé pour effectuer les mesures tirs multiples et peut être définie par Nsb = R - Rsb + 1 (16) Pour savoir quels sont les récepteurs nécessaires a utiliser pour calculer les tirs multiples, une "matrice géométrique" est mise en oeuvre. En calculant des tirs multiples, il est nécessaire de modifier le recepteur de référence pour chaque matrice secondaire lors du calcul du plan ST pour prendre en compte la correction de décalage de temps. Pour Nsb matrices secondaires de Rsb récepteurs, la matrice géométrique a pour dimensions G=G (Nsb, Rsb) et est définie par Le premier récepteur de la première matrice secondaire rn est égal à la valeur de la matrice secondaire nécessaire pour calculer les tirs multiples. conséquence, rn = Nsb, le deuxième récepteur de cette matrice secondaire est r,+, et ainsi de suite. Chaque colonne de la matrice peut être calculée par ri = rn + i , i= 0, Rsb où i est le numéro du récepteur à l'intérieur de matrice secondaire. Le récepteur de référence est toujours le même que le premier récepteur de la première matrice secondaire. Ainsi, si cette valeur est calculée au début du calcul, tous les paramètres pour le traitement STC sont fixés pour ce calcul et il n'est pas nécessaire de redéfinir le récepteur de référence pour chaque matrice secondaire. De plus, la matrice géométrique permet une identification facile au niveau de chaque trame des récepteurs qui sont activés et désactives à cette profondeur. En conséquence, il est simplement nécessaire de multiplier l'état du récepteur par le vecteur courant pour savoir quels récepteurs doivent etre utilisés, ce qui simplifie la gestion des données. Il est simplement nécessaire savoir si un récepteur est actif ou non pour une trame donnée, car les données de tous les récepteurs sont calculées au début et les résultats utilisés permutation circulaire de la colonne de la matrice pour chaque nouvelle trame. Dans l'exemple de la figure 2, la matrice géométrique est comme suit Le récepteur numéro 4 est le récepteur de référence pour chaque matrice secondaire. La matrice de tirs multiples M prolonge ce concept pour identifier la contribution de chaque récepteur dans la matrice d'outils aux résultats de tirs multiples. Cette matrice a pour dimensions M (Nsb, Nrcvr+Nsb-1) , comme représentait dans 1 'équation 19 ci-dessous Chaque colonne de cette matrice représente une position de l'outil en fonction de la profondeur et rmin est le récepteur le plus proche de l'émetteur rmax est le plus éloigné. Chaque élément de la matrice devient 1 lorsqu'il est nécessaire d'utiliser la forme d'onde enregistrée par le récepteur approprié et 0 dans le cas contraire. La connaissance de cette matrice permet une identification facile des traces récepteurs requises et ainsi, facilite la gestion des données. Il est également possible de savoir d'après cette matrice quelle matrice secondaire dépend de chaque trace de récepteur. La matrice géométrique et la matrice de tirs multiples sont calculées une fois au début du traitement et pendant le traitement, les données d'entrée sont décalées avant d'exécuter chaque calcul. La figure 4 représente un organigramme des étapes de base d'un procédé selon l'invention comme décrit ci- dessus. La présente invention trouve des applications dans le domaine de la caractérisation de formations souterraines entourant des forages, par exemple dans l'industrie pétrolière et du gaz. REVENDICATIONS 1. Procédé pour traiter des enregistrements de diagraphie acoustique obtenus à partir d'un outil de diagraphie comportant une matrice de R récepteurs, comprenant (i) la sélection d'une dimension de matrice secondaire de Rsb récepteurs, avec Rsb