Brevet FR2805051A1 — publié le 20010817

La présente invention concerne une méthode et un dispositif de surveillance sismique d'une zone souterraine telle qu'un gisement ou réservoir, comportant l'utilisation simultanée de plusieurs vibrateurs sismiques. Etat de la technique Il est connu de surveiller les variations d'état à long terme d'un réservoir en cours de production qu'il s'agisse d'un gisement d'hydrocarbures ou d'un réservoir destiné au stockage de gaz, au moyen d'un système sismique comportant une source sismique impulsionnelle ou un vibrateur sismique pour émettre des ondes sismiques dans le sol et un dispositif de réception comportant des capteurs sismiques disposés en surface ou dans des puits et couplés avec les formations à surveiller. A intervalles de temps définis, on réalise des investigations sismiques avec émission d'ondes, réception des ondes renvoyées par les discontinuités du sous-sol et enregistrement de sismogrammes, de façon à déterminer par comparaison des modifications intervenues dans le réservoir, résultant de son exploitation. Différents systèmes de surveillance sismique à long terme sont décrits par exemple dans les brevets EP 591 037 (US 5 461 594), FR 2 593 292 (US 4 775 009), FR 2 728 973 (US 5 724 311) ou FR 2 775 349. Par les brevets FR 2 728 973 et FR 2 775 349 notamment, on connaît des systèmes de surveillance sismique d'une zone souterraine en cours d'exploitation, qu'il s'agisse d'un réservoir d'hydrocarbures ou d'un réservoir de stockage de gaz par exemple. Comme schématisés aux Fig.l à 3, ils comportent par exemple un réseau d'antennes sismiques 2 constituées chacune d'un ensemble de capteurs sismiques 4 disposés à intervalles réguliers le long d'un puits 3 foré dans le sol. Ce réseau peut être régulier comme schématisé sur la Fig.2, ou irrégulier. Les capteurs peuvent être des géophones mono-directionnels orientés verticalement ou multi-axes (triphones) et/ou des hydrophones. A proximité de chaque antenne 2, est disposé une source sismique 5. Comme sources, on utilise avantageusement des vibrateurs de type piézoélectrique, tels que décrit dans la demande de brevet FR 99/04 001 au noms conjoints des demandeurs, qui sont installés à demeure au voisinage immédiat de chaque antenne 2. Les ondes sismiques générées par la ou chaque source sismique 5 se propagent vers le bas (ondes descendantes 9). Ces ondes incidentes sont tout d'abord enregistrées par les récepteurs 4 de chaque puits 3. Les ondes renvoyées par les discontinuités de la zone (interfaces sismiques) se propagent vers le haut. Ces ondes montantes 10 sont enregistrées aussi par les différents récepteurs 4. De la sorte, les ondes montantes et descendantes sont superposées sur les sismogrammes. On les traite habituellement par une méthode identique à celle du traitement des PSV (Profils Sismiques Verticaux) bien connue des gens de l'art. Les différentes sources du système sismique peuvent être actionnées successivement, en ménageant entre les déclenchements un intervalle de temps suffisant pour recevoir les ondes renvoyées par la zone investiguée. On peut aussi utiliser plusieurs sources sismiques émettant les mêmes signaux que l'on déclenche simultanément pour augmenter la puissance émise. Par le brevet FR 2 589 587 (US 4 780 856), on connaît également une méthode de prospection sismique marine comportant l'émission d'ondes sismiques par un vibrateur ou simultanément par plusieurs vibrateurs piloté(s) par des signaux vibratoire codés en accord avec un code pseudo-aléatoire. La méthode selon l'invention La méthode selon l'invention permet de réaliser des opérations de surveillance sismique d'une formation souterraine. Elle comporte - l'émission d'ondes sismiques dans la formation en couplant avec la formation au moins deux vibrateurs émettant simultanément et pilotés par des signaux orthogonaux les uns relativement aux autres, de manière à former un signal vibratoire composite, 1 - la réception des signaux renvoyées par la formation en réponse à l'émission des ondes sismiques, - l'enregistrement des signaux reçus par au moins un capteur sismique, et - la formation de sismogrammes par un traitement des signaux enregistrés comprenant une discrimination des contributions respectives des vibrateurs au signal vibratoire composite et une reconstruction de sismogrammes équivalents à ceux que l'on obtiendrait en actionnant séparément les vibrateurs. Comme signaux orthogonaux, on utilise par exemple des signaux sinusoïdaux de fréquences différentes les unes des autres aussi bien par leurs composantes fondamentales que par leurs harmoniques respectives, ou des signaux formés à base d'ondelettes, de polynomes de Legendre ou de séries aléatoires, etc. .\ Dans le cas notamment où les signaux orthogonaux émis sont des sinusoïdes, on réalise par exemple la discrimination des contributions respectives des vibrateurs, par détermination de l'amplitude et de la phase du signal vibratoire composite aux fréquences fondamentales des signaux de pilotage appliqués aux vibrateurs. La discrimination des contributions respectives des vibrateurs comporte par exemple une pondération des signaux enregistrés par un facteur de pondération (ou d'apodisation) en cloche et une détermination de l'amplitude et de la phase du signal composite. r Pour réaliser la discrimination des contributions respectives des vibrateurs on effectue par exemple une sélection par transformée de Fourier, de raies du spectre complexe associées respectivement aux différents signaux pondérés. La reconstruction des sismogrammes correspondant spécifiquement aux différents vibrateurs est effectuée par exemple en appliquant, après leur séparation, une transformée de Fourier inverse, aux raies associées respectivement aux différents signaux pondérés. Suivant un mode d'implémentation, on décale par pas de fréquence, à intervalles de temps déterminés, les fréquences des signaux de pilotage orthogonaux appliqués respectivement aux différents vibrateurs, de façon à balayer une certaine bande de fréquence d'émission. Le système de surveillance sismique d'une formation souterraine selon l'invention comporte des moyens d'émission de vibrations sismiques dans la formation comprenant au moins deux vibrateurs et des moyens pour générer des signaux orthogonaux les uns relativement aux autres et les appliquer respectivement aux vibrateurs de manière à générer dans la formation un signal vibratoire composite, des moyens de réception des signaux renvoyées par la formation en réponse à l'émission des ondes sismiques, des moyens d'enregistrement des signaux reçus par les moyens de réception des signaux et des moyens de traitement de signaux enregistrés pour former des sismogrammes comprenant au moins un calculateur adapté à effectuer une discrimination des contributions respectives des vibrateurs au signal vibratoire composite et une reconstruction de sismogrammes équivalents à ceux que l'on obtiendrait en actionnant séparément les vibrateurs. Suivant un premier mode d'implémentation, le système comporte au moins deux unités locales disposées à distance les uns des autres et couplées avec la formation, chaque unité comportant au moins un capteur sismique, un vibrateur sismique, un dispositif local d'acquisition et de traitement des signaux reçus, et une unité centrale de commande et de synchronisation connectée aux différentes unités, comprenant un générateur adapté à appliquer aux vibrateurs les signaux vibratoires de pilotage orthogonaux. Suivant un autre mode d'implémentation, le système comporte au moins deux unités locales disposées à distance les uns des autres et couplées avec la formation, chaque unité comportant au moins un capteur sismique, un vibrateur sismique, et une unité centrale de commande et de synchronisation connectée aux différentes unités locales par liaison matérielle (des câbles par exemple) ou immatérielle (par radio) et comprenant un générateur de signaux adapté à former les différents signaux vibratoires de pilotage orthogonaux, et des moyens d'acquisition des signaux reçus par les différentes antennes et de reconstruction des sismogrammes correspondant aux contributions des différents vibrateurs. Les moyens de réception comportent par exemple au moins une antenne constituée de plusieurs capteurs sismiques disposés le long d'un puits ménagé dans la formation, cette antenne étant connectée aux moyens d'enregistrement. Présentation des figures r D'autres caractéristiques et avantages de la méthode et du système selon l'invention, apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'exemples non limitatifs de réalisation, en se référant aux dessins annexés où - la Fig.l montre schématiquement un système de surveillance d'une formation souterraine comprenant plusieurs ensembles d'émission et d'acquisition de signaux ; - la Fig.2 montre un exemple de répartition en surface d'ensembles de surveillance ; - la Fig.3 montre schématiquement un ensemble d'émission et d'acquisition de signaux comprenant des capteurs sismiques disposés pour former des antennes ; - la Fig.4 montre une variante du système de surveillance de la Fig.1 où les moyens d'acquisition des signaux sismiques sont centralisés dans un poste central ; - la Fig.5 illustre les différents étapes de l'algorithme de mise en oeuvre de la méthode ; et - la Fig.6 montre schématiquement le trajet des ondes entre deux points d'émission X1, X2 et un point de réception commun. Description détaillée La méthode permet donc de réaliser des opérations de surveillance sismique d'une zone souterraine en utilisant un ensemble de capteurs sismiques et une pluralité de vibrateurs actionnés simultanément par des signaux à des fréquences différentes choisies de façon que l'on puisse discriminer les contributions de chaque source sur les sismogrammes réalisés à partir des signaux reçus et enregistrés. Ceci est réalisé d'une façon générale par le pilotage des différentes sources par des signaux orthogonaux traduisant des fonctions dites orthogonales bien connues des gens de l'art et par utilisation de techniques de calcul numérique connues tells que la transformée de Fourier inverse pour séparer les contributions aux sismogrammes obtenus des différents vibrateurs, comme on va l'expliquer ci-après en utilisant les notations suivantes # Convolution # Corrélation* # Durée d'émission t, (secondes) # Temps d'écoute te (secondes) # Pas d'échantillonnage ti (secondes) # Fréquence initiale fb (Hertz) # Fréquence finale ff (Hertz) # Fréquence élémentaire f; = 1/t, (Hertz) # Largeur de raie fd (Hertz) A- Fonctions ortho oncles On considère deux signaux unitaires P1 et P2 sinusoïdaux de fréquences respectives f1 et f2 émis par deux sources S1 et S2 situées aux points Xl et X2 (Fig.6) pendant une durée t, grande devant 1/f1 et 1/f2. Pl = sin2nflt P2 = sin2nf2t Le sismogramme enregistré des signaux reçus en un point R de réception à partir de la source SI émettant seule est : Tl = Alsin(2nflt- (D, ), où (D, est un retard de phase. De même le sismogramme observé au même point R à partir de S2 émettant seule est : T2 = A2.sin(2nf2t- #D2) où (D2 est pareillement un retard de phase. Si S1 et S2 émettent simultanément, la linéarité de la transmission des ondes sismiques fait que le sismogramme des ondes reçues en R est la somme de T1 et T2. Si de plus f 1 # f2, P2*Pl = 0 (A), T*Pl = Tl* Pl (B), et T*P2 = T2*P2 (C) L'équation (A) exprime l'orthogonalité des signaux Pl et P2; les équations (B) et (C) traduisent la possibilité de séparer le signal composite T en ses deux composantes. Cette propriété s'étend en théorie à un nombre quelconque de sources émettant des sinusoïdes de fréquences différentes ou plus précisément des signaux orthogonaux entre eux mais dans la pratique, le nombre de sources doit être limité à cause des phénomènes suivants a) la distorsion qui ne peut en effet être négligée avec des sources mécaniques. En même temps que la fréquence f1, la source SI émet les fréquences 2f1, 3f1 ... nfl. En conséquence, si f; et fj sont les fréquences respectives des deux sources Si et Sj de l'ensemble de sources, il convient non seulement que f; # fj mais aussi que f; :# 2fj, f; # 3fj , ... f;#nfi; b) le caractère nécessairement tronqué de la durée d'émission (ts) qui se traduit dans le domaine des fréquences en réalisant une convolution de la raie (impulsion) par la transformée de Fourier de la troncature. Si celle-ci est brutale (multiplication par un créneau de longueur ts), c'est un sinus cardinal de grande largeur. Si au contraire elle est progressive (multiplication par une courbe en cloche, gaussienne ou fonction de Hanning par exemple), c'est une autre fonction en cloche de largeur inversement proportionnelle à la longueur de la troncature ; et c) l'imperfection des sources qui affecte leur stabilité et la précision des fréquences émises. En pratique, on peut considérer que cette imperfection contribue simplement à l'augmentation de la largeur de raie. Les fonctions orthogonales les plus simples sont des sinusoïdes de fréquences différentes. D'autres fonctions orthogonales peuvent aussi être utilisées : fonctions basées sur les polynomes de Legendre, ondelettes, séries aléatoires, etc. B.- Réversibilité de la transformée de Fourier . Si au lieu d'émettre une sinusoïde Ti de fréquence fi, de module Ai et de phase (V; , on émet le signal composite Pt constituée de la somme de N sinusoïdes {fi, Ai, a)i } avec 1 On peut donc exciter simultanément N vibrateurs installés sur le terrain au moyen de signaux vibratoires de fréquences telles que chaque source est excitée successivement par chacune des Nf sinusoïdes ci-dessus à chaque instant, sous réserve que les fréquences respectives des sinusoïdes émises à un même instant par les différents vibrateurs sont toutes différentes les unes des autres. La séparation des signaux reçus par les capteurs sur le terrain, en réponse à l'émission simultanée des différents signaux est ainsi obtenue par sélection de la raie à la fréquence appropriée. La Fig. 5 illustre schématiquement les différentes étapes de la méthode. On applique simultanément aux différentes sources sismiques 5 installées sur le terrain des signaux pilotes sinusoïdaux 11 de fréquences r respectives afo, bfo, cfo, dfo etc., les coefficients a, b, c, d, etc. étant choisis pour que ces fréquences soient différentes les unes des autres et différentes de leurs harmoniques respectives. Ces fréquences sont des multiples entiers d'une fréquence fondamentale fo. Le sismogramme 12 que l'on obtient en enregistrant les ondes reçues par les capteurs des différentes antennes 4, est une combinaison linéaire des sismogrammes qui auraient été obtenus en excitant les sources 5 séquentiellement. On pondère alors les signaux enregistrés en les multipliant par un facteur de pondération en cloche dit d'apodisation (tapering) 13 pour former des signaux apodisés ou pondérés 14. Puis, on calcule la partie réelle 15 et la partie imaginaire 16 de la transformée de Fourier des signaux apodisés. Chacune de ces parties est composée d'impulsions bien séparées les unes des autres. Pour chaque source 5, on ne conserve alors que le nombre réel 17 et le nombre imaginaire 18 formant la valeur complexe de la transformée de Fourier à la fréquence émise par la source. Les ensembles de différents nombres 17 et 18 quand la source émet toutes les fréquences programmées, forment la partie réelle 19 et la partie imaginaire 20 du sismogramme 21 associé à la source. On obtient ce sismogramme par transformée de Fourier inverse. Suivant un premier exemple d'implémentation de la méthode, le système comporte une pluralité d'unités locales LU comprenant chacune une antenne 2 reliée par des câbles (non représentés) et un dispositif local d'acquisition et de traitement 6 (Fig.l, 2), et les différents vibrateurs sont reliés par des câbles C par exemple, à une unité centrale 8 .de commande et de synchronisation comprenant un générateur de signaux (non représenté) adapté à générer, pour les différents vibrateurs 5, les signaux orthogonaux de pilotage tels qu'ils ont été définis plus haut. Suivant un autre mode d'implémentation (Fig.4), les différentes antennes de réception 2 sont reliées par des câbles C par exemple, avec l'unité centrale de commande et de synchronisation 8 qui assure les tâches de génération des signaux composites pour les différentes sources 5 et l'acquisition et l'enregistrement des signaux reçus par les capteurs 4 et le traitement des signaux acquis. Les câbles C peuvent bien entendu être remplacés d'une façon générale par toute liaison matérielle ou immatérielle (liaison hertzienne, fibre optique etc.). Les dispositifs locaux d'acquisition et de traitement 6 et/ou l'unité centrale de commande et de synchronisation 8 comportent des calculateurs tels que des PC programmés pour effectuer les traitements visant à isoler et reconstituer les sismogrammes correspondant aux contributions propres des différents vibrateurs 5 tels qu'ils ont été définis dans la description. REVENDICATIONS 1) Méthode de surveillance sismique d'une formation souterraine (1) comportant l'émission d'ondes sismiques dans la formation, la réception des signaux renvoyées par la formation en réponse à l'émission des ondes sismiques, l'enregistrement des signaux reçus par au moins un capteur sismique (4) et la formation de sismogrammes par traitement des signaux enregistrés, caractérisée en ce que - l'émission est réalisée en couplant avec la formation au moins deux vibrateurs (5) émettant simultanément et pilotés par des signaux orthogonaux les uns relativement aux autres, de manière à former un signal vibratoire composite ; et - le traitement comporte une discrimination des contributions respectives des vibrateurs au signal vibratoire composite et une reconstruction de sismogrammes équivalents à ceux que l'on obtiendrait en actionnant séparément les vibrateurs. 2) Méthode selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'on émet des signaux orthogonaux constitués de sinusoïdes de fréquences différentes les unes des autres aussi bien par leurs, - composantes fondamentales que par leurs harmoniques respectives. 3) Méthode selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'on émet des signaux orthogonaux formés à base d'ondelettes, de polynomes de Legendre ou de séries aléatoires. 4) Méthode selon la revendication 2, caractérisée en ce que l'on réalise la discrimination des contributions respectives des vibrateurs par détermination de l'amplitude et de la phase du signal vibratoire composite aux fréquences fondamentales des signaux de pilotage appliqués aux vibrateurs. 5) Méthode selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la discrimination des contributions respectives des vibrateurs (5) comporte une pondération des signaux enregistrés par un facteur (13) de pondération en cloche et une détermination de l'amplitude et de la phase du signal composite. 6) Méthode selon la revendication précédente, caractérisée en ce que la discrimination des contributions respectives des vibrateurs comporte une sélection par transformée de Fourier, de raies (15-18) du spectre complexe associées respectivement aux différents signaux pondérés. 7) Méthode selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'on réalise la reconstruction des sismogrammes correspondant spécifiquement aux différents vibrateurs en appliquant, après leur séparation, une transformée de Fourier inverse, aux raies (19, 20) associées respectivement aux différents signaux pondérés. 8) Méthode selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'on décale par pas de fréquence, à intervalles de temps déterminés, les fréquences des signaux de pilotage orthogonaux appliqués respectivement aux différents vibrateurs de façon à balayer une certaine bande de fréquence d'émission [fb - ff,]. 9) Système de surveillance sismique d'une formation souterraine comportant des moyens d'émission de vibrations sismiques dans la formation, des moyens de réception des signaux renvoyés par la formation en réponse à l'émission des ondes sismiques, des moyens d'enregistrement des signaux reçus par les moyens de réception des signaux et des moyens de traitement de signaux enregistrés pour former des sismogrammes, caractérisé en ce que - les moyens d'émission comporte au moins deux vibrateurs (5) et des moyens (8) pour générer des signaux orthogonaux les uns relativement aux autres et les appliquer respectivement aux vibrateurs (5) de manière à générer dans la formation un signal vibratoire composite ; et - les moyens de traitement comportent au moins un calculateur (6) adapté à effectuer une discrimination des contributions respectives des vibrateurs au signal vibratoire composite et une reconstruction de sismogrammes équivalents à ceux que l'on obtiendrait en actionnant séparément les vibrateurs. 10) Système selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité d'unités locales (LU) disposées à distance les uns des autres et couplées avec la formation, chaque unité co mportant au moins un capteur sismique (4), un vibrateur sismique (5), un dispositif local (6) d'acquisition et de traitement des signaux reçus, et une unité centrale de commande et de synchronisation (8) connectée aux différentes unités locales,comprenant un générateur de signaux adapté à appliquer aux vibrateurs (5), les signaux vibratoire de pilotage orthogonaux. 11) Système selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'unité centrale de commande et de synchronisation (8) est connectée aux différentes unités locales par des moyens de liaison matérielle ou immatérielle. 12) Système selon la revendication 10 ou 11, caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité d'unités locales (LU) disposées à distance les uns des autres et couplées avec la formation, chaque unité comportant au moins un capteur sismique, un vibrateur sismique (5), et une unité centrale de commande et de synchronisation (8) connectée aux différentes unités locales (LU) comprenant un générateur de signaux adapté à former les différents signaux vibratoires de pilotage orthogonaux, et des moyens d'acquisition des signaux reçus par les différentes antennes (2) et de reconstruction des sismogrammes correspondant aux contributions des différents vibrateurs (5). 13) Système selon la revendication 11 ou 12, caractérisé en ce que les moyens de réception comportent au moins une antenne (2) constituée de plusieurs capteurs sismiques (4) disposés le long d'un puits (3) ménagé dans la formation, cette antenne étant connectée à des moyens d'enregistrement.