Brevet FR2874270A1 — publié le 20060217

La présente invention concerne l'exploration sismique du sous-sol. Pour construire des images du sous-sol, les géologues ou géophysiciens utilisent classiquement des sources d'ondes sismiques placées par exemple en surface. Ces sources créent des vibrations à la surface du sol qui se propagent sous forme d'ondes dans le sous-sol et se réfléchissent sur les interfaces entre strates géologiques i (réflecteurs). Les ondes réfléchies vers la surface sont enregistrées en fonction du temps par des capteurs sismiques,géophones en sismique terrestre ou hydrophones en sismique marine. Le coût des études sismiques est largement lié au temps nécessaire pour réaliser les séries de mesures. Pour réduire ce temps, certaines techniques d'acquisition permettent de réaliser des mesures en activant plusieurs sources simultanément ou à intervalles de temps réguliers, de sorte que les signaux émis se recouvrent dans le temps. Le document FR 2 766.277 Al (publié le 22 janvier 1999) décrit notamment un procédé d'acquisition de données sismiques dans lequel des sources émettent des signaux simultanément. Ce procédé utilise des explosifs comme sources d'émission de signaux courts. Des géophones détectent un signal incluant plusieurs composantes en provenance des différentes sources. L'ensemble du système d'acquisition comprenant les sources et les géophones est déplacé avant chaque tir d'une distance prédéterminée. Dans ce procédé, les enregistrements obtenus, constitués d'une collection de traces sont corrigés statiquement et dynamiquement, la correction appliquée ne prenant en compte que l'une des sources, les réflexions engendrées par les autres sources n'étant pas prises en compte. Des corrections sont ainsi appliquées individuellement pour chaque source, ce qui permet de séparer les signaux émis par les différentes sources. D'autres techniques d'acquisition existent qui utilisent des sources vibrosismiques émettant des signaux longs se recouvrant dans le temps. 2874270 2 Selon l'une de ces techniques d'acquisition (dite slip-sweep ), les sources sont commandées pour émettre des signaux à balayage de fréquence (dits sweep ) ,qui présentent une fréquence qui varie dans le temps suivant une loi prédéterminée. Cette variation est généralement linéaire ou logarithmique. Typiquement, on fait varier la fréquence dans une plage de 10 à 80 Hz sur une durée d'environ 30 secondes. Les signaux enregistrés par des géophones sont des signaux composites en provenance des différentes sources. Une étape de traitement des données recueillies permet ensuite de séparer les signaux en provenance de chaque source. Selon la technique d'acquisition slip-sweep, deux sources, localisées en des endroits différents, sont commandées pour émettre des signaux sweep simultanément. Les signaux sweep émis sont orthogonaux entre eux. ils balayent une bande de fréquence, l'un dans le sens croissant et l'autre dans le sens décroissant, de sorte que leur fréquence instantanée n'est jamais la même. On considère que deux signaux sweep gn et gm correspondant à des tirs n et m sont orthogonaux entre eux ou ne se recouvrent pas dans le temps lorsqu'ils vérifient la condition: -21tm É -2Jtn G = 0 [1] m(f)'e Gn(f) e f C'est-à-dire f gm(t tm)'gn(t tn) Édt=0 [2] t où tn désigne le temps de début du n-ième tir, gn (t) est l'amplitude du signal sweep correspondant au n-ième tir en 25 fonction du temps, Gn (f) est la transformée de Fourier de gn (t) en fonction de la fréquence fÉ 2874270 3 La séparation des signaux en provenance de chaque source est réalisée en corrélant les signaux enregistrés par les géophones avec les signaux sweep émis par les sources. Avec la technique d'acquisition slipsweep, la séparation des signaux enregistrés par corrélation n'est'possible que du fait que les signaux sweep émis par les sources sont orthogonaux entre eux. D'autres techniques d'acquisition permettant de réaliser des mesures en activant plusieurs sources simultanément ont été proposées. Le document US 6 545 944 B2 (publié le 8 avril 2003) décrit un procédé d'acquisition de données sismiques dans lequel des sources émettent des signaux longs simultanément. Dans ce procédé, chaque source est composée d'une pluralité d'éléments émetteurs. Les éléments émetteurs de chacune des sources sont activés selon une séquence d'activation prédéterminée de sorte que la source émet des vibrations présentant une polarité évoluant dans le temps. Les séquences d'activation des différentes sources sont distinctes les unes des autres et choisies pour que l'énergie enregistrée en provenance de chaque source puisse être séparée de l'énergie enregistrée en provenance des autres sources. L'invention vise un procédé d'exploration sismique utilisant plusieurs sources dans des conditions d'efficacité optimale. Selon un premier aspect, l'invention a pour objet un procédé d'exploration sismique, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes selon lesquelles: on commande une pluralité de sources pour qu'elles émettent dans un milieu à explorer une pluralité d'ondes sismiques, chaque source occupant successivement une pluralité de positions d'émission, - on produit pour chaque émission un signal représentatif de l'émission, et on enregistre la position de la source et l'instant de début d'émission, - on enregistre en continu au moyen de capteurs sismiques les signaux composites réfléchis par le milieu en réponse aux dites émissions, et on effectue une migration point de tir à partir, d'une part, d'un champ d'onde réfléchie constitué des dits signaux composites et des positions 2874270 4 respectives des capteurs, et d'autre part, d'un champ d'onde incidente constitué des signaux représentatifs des émissions, des positions des sources et des instants de début d'émission, en vue d'obtenir une image sismique. L'invention est applicable au cas des sources vibrosismiques comme aux sources impulsives. Dans le cas de signaux vibrosismiques, l'étape de migration est réalisée en synthétisant une onde incidente reconstituant, à partir des informations recueillies au moment de l'acquisition, l'onde effectivement émise dans le milieu à imager, et non un signal corrélé. L'onde incidente est alors composée d'une pluralité de signaux vibrosismiques superposés et ne se présente pas sous la forme d'une impulsion en temps et en espace. Avec un tel procédé, on constate que l'existence d'interférences entre tirs, se traduisant par des signaux vibrosismiques non orthogonaux, n'a pas de conséquences excessives sur l'image du milieu finalement obtenue. En effet, les signaux vibrosismiques étant générés par des sources réparties en des positions différentes, ils n'interfèrent pas nécessairement, même s'ils sont émis avec la même fréquence au même instant.. Selon une forme de réalisation, le procédé comprend en outre une étape de déconvolution portant sur une partie au moins des points du milieu à explorer. Selon un autre aspect, l'invention a pour objet un procédé d'acquisition de données sismiques, caractérisé en ce qu'il comprend les 25 étapes consistant à : - commander une pluralité de sources pour qu'elles émettent dans une zone du sous-sol à explorer une pluralité d'ondes sismiques, chaque source occupant successivement une pluralité de positions d'émission, - produire pour chaque émission un signal représentatif de l'émission et enregistrer la position de la source et l'instant de début d'émission, 2874270 5 - enregistrer en continu au moyen de capteurs sismiques les signaux composites réfléchis par le milieu en réponse aux dites émissions et les positions des capteurs, - l'émission étant exempte de côndition destinée à séparer les contributions des différentes sources dans les signaux composites. Selon encore un autre aspect, l'invention a pour objet un procédé de traitement de données pour la formation d'une image sismique d'une zone du sous-sol, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à réaliser une migration point de tir à partir - d'une part, d'une pluralité de signaux représentatifs d'émissions d'ondes sismiques dans ladite zone, des positions de source et des instants de début d'émission associés à chaque émission, - et d'autre part, des signaux composites réfléchis par le milieu en réponse aux dites émissions et enregistrés en continu par des capteurs 15 sismiques, et des positions des capteurs. D'autres caractéristiques et avantages ressortiront encore de la description qui suit, laquelle est purement illustrative et non limitative. Le premier exemple de réalisation décrit concerne la sismique 20 terrestre 3D. On considère un système d'acquisition de données sismiques comprenant une pluralité de sources vibrosismiques et une pluralité de câbles comportant chacun une pluralité de géophones espacés et reliés à un système d'enregistrement. De façon classique, les câbles sont disposés selon des lignes droites parallèles. Ils peuvent être au nombre d'une dizaine, voire de plusieurs dizaines. Les sources vibrosismiques sont constituées par des masses dites de réaction portées par des engins mobiles appelés vibrateurs. Le signal vibrosismique est obtenu par l'application d'une force entre cette masse et une plaque reposant sur le sol. Dans la méthode classique, les vibrateurs se déplacent entre deux tirs perpendiculairement à la direction des câbles, mais on peut aussi envisager des déplacements parallèlement aux câbles ou dans des directions quelconques et différentes selon les vibrateurs. Les sources vibrosismiques sont commandées pour générer au cours d'une session d'acquisition une série de N tirs. A chaque tir, une source vibrosismique est activée pour émettre un signal sweep dans le sous-sol. Chaque signal vibrosismique émis est enregistré au moyen de moyens appropriés prévus sur le vibrateur, ou en variante, est estimé en fonction des paramètres de définition du signal vibrosismique, des caractéristiques du vibrateur et de mesures appropriées faites lors de chaque tir au moyen de capteurs prévus sur le vibrateur. De tels moyens sont connus de l'homme du métier et n'ont pas lieu d'être décrits en détail. Il est prévu en outre des moyens pour déterminer la position de la source lors de chaque tir et l'instant de début d'émission pour chaque tir. Ces moyens comprennent de façon connue un dispositif GPS prévu sur le vibrateur. Le dispositif GPS fournit, outre les coordonnées de position, un temps-origine absolu grâce auquel les instants de début d'émission peuvent être déterminés avec précision. Une précision typique est 80 microsecondes. Des moyens sont prévus en outre sur le vibrateur pour enregistrer ces données pour chaque tir. L'enregistrement fonctionne en continu pendant la session d'acquisition. Le système d'enregistrement comporte un système d'horloge tel que celui fourni par un dispositif GPS pour fournir un temps-origine précis pour chacun des signaux produits par les capteurs. Les positions des géophones sont déterminées par les méthodes connues, telles que le recours à une série d'éléments GPS implantés à des emplacements appropriés. On utilise les notations suivantes: xn, yn désignent les coordonnées en abscisse et en ordonnée à la surface du sol (à la profondeur z = 0) de la source ayant émis le n-ième tir, n étant compris entre 1 et N, tn désigne le temps de début du n-ième tir, gn (t) est l'amplitude du signal sweep correspondant au n-ième tir en fonction du temps. Chaque signal enregistré par l'un des géophones au cours d'une session d'acquisition est un signal composite dans lequel s'additionnent une pluralité de composantes vibrosismiques correspondant respectivement aux signaux vibrosismiques générés par les différentes sources. Lorsque les sources sont commandées pour émettre des signaux sweep gn (t) identiques simultanés ou se recouvrant dans le temps, le signal enregistré par un géophone est un signal continu qui peut durer plusieurs dizaines de 10 minutes. Dans un traitement de migration point de tir, les signaux enregistrés par les géophones sont migrés à partir d'une onde incidente et d'une onde réfléchie. La description qui suit concerne la migration point de tir en profondeur, mais une migration point de tir en temps peut aussi être utilisée. Le champ d'onde incidente i est reconstitué à partir d'informations relatives aux positions des sources, aux signaux vibrosismiques émis par chaque source et aux temps de début d'émission des signaux vibrosismiques. Le champ d'onde incidente i(x,y,z,t,m) à la surface du sol (c'est-à-dire à la profondeur z = 0) pris en considération pour la 20 migration point de tir est défini de la manière suivante: N i(x,y,z=0,t)= Ein(x,y,z=0,t) [5] n=1 avec in(x,y,z=O,t)=8(x xn,y yn)gn(t tn) [6] où 8 est la fonction de Kronecker qui est égale à 0 si x xn ou y yn et à 1 si x=xn et y = yn. En exprimant l'équation du champ d'onde incidente dans le domaine de Fourier, on obtient: N -2Jit rf n I(x,y,z=O,.f)= 18(x-xn,y-yn)ÉGn(f) e n=1 [7] 2874270 8 ou I est la transformée de Fourier de l'onde incidente i, Gn est la transformée de Fourier du signal sweep gn et f est la fréquence. De même, le champ d'onde réfléchie s(x, y, t) pris en considération pour la migration point de tir est composé de l'ensemble des signaux composites enregistrés par les géophones. Le champ d'onde réfléchie s est reconstitué à partir d'informations relatives aux positions des géophones, et aux signaux enregistrés par chaque géophone. La transformée de Fourier de l'équation du champ d'onde réfléchie est notée S(x, y, f). La migration point de tir est une méthode bien connue et documentée dans la littérature. Elle consiste à déterminer, sur la base d'un modèle de vitesse préétabli, la réflectivité r(x, y, z) aux points du sous-sol de coordonnées (x, y, z) . Dans le domaine de Fourier, la réflectivité R s'exprime de la façon suivante: R(x, y, z) _ E I (x, y, z, f) S(x, y, z, f) [8] f où I (x, y, z, f) est le conjugué de la transformée de Fourier du champ d'onde incidente i, S(x, y, z, f) est la transformée de Fourier du champ d'onde réfléchie s, f est la fréquence. On remarque que le calcul de la réflectivité r. réalise une 20 corrélation des signaux composites par les signaux sweep émis par les sources vibrosismiques Selon une forme de réalisation, une opération de déconvolution locale est appliquée à la réflectivité résultant de la migration point de tir. Cette opération peut porter sur la totalité des points de coordonnées (x, y, z) ou sur des régions sélectionnées dans lesquelles une déconvolution apparaît souhaitable. A cet effet, on peut calculer des matrices d'autocorrélation locale M. , (Ax,Ay,Az) comme: Mx,v,z(Ox,Dy,Az) _ EI(x+Ax, y+Dy,z+Az,f) I(x,y,z,f) f [11] Les matrices Mx y z sont ensuite utilisées pour déconvoluer localement et en trois dimensions la réflectivité R(x, y, z) calculée précédemment. Cette déconvolution non stationnaire peut par exemple prendre la forme du calcul de la réflectivité déconvoluée Rd(x,y,z) par la résolution du système linéaire: E Ma yZ(Ax,Ay,Az)R,(x-Ax,y Ay,z-Az)=R(x,y,z) a,.oy.a: Le procédé qui vient d'être décrit est applicable à des signaux vibrosismiques qui peuvent se recouvrir dans le temps et qui ne sont pas nécessairement orthogonaux ou successifs (autrement dit, ils ne vérifient pas nécessairement les équations [1] et [2]). Le fait que les signaux vibrosismiques puissent être émis sans que l'émission soit assujettie à des conditions d'orthogonalité ou plus généralement à des conditions visant à séparer les contributions des sources dans les signaux composites permet d'optimiser l'acquisition sur le plan opérationnel, et notamment de réduire le temps nécessaire. Il est possible en particulier de mobiliser un nombre important de sources, par exemple jusqu'à 20 vibrateurs, et de commander les tirs sans condition de synchronisation. En outre, chaque vibrateur peut alors constituer une source indépendante, au contraire de techniques connues dans lesquelles chaque source est en fait constituée par plusieurs vibrateurs associés. Les consignes appliquées aux sources pour commander les sweep, c'està-dire les règles de variation de la fréquence en fonction du temps, peuvent être les mêmes pour tous les vibrateurs, mais elles peuvent aussi être différentes. Une variation à cet égard n'a pas d'effet gênant dans la mesure où les signaux vibrosismiques émis sont enregistrés, ou en variante déterminés, à chaque tir. Du point de vue des distances entre sources, il est approprié de 30 respecter une distance minimum, pour que les contributions des sources 2874270 10 dans le signal composite apportent des informations effectivement différentes sur le sous-sol. Une telle distance minimum est par exemple de l'ordre de 10 à 20 mètres. A l'inverse, la distance entre sources est limitée par un souci opérationnel: il est plus efficace en pratique de réaliser l'acquisition avec des sources situées dans une zone relativement concentrée. Sans que cela soit limitatif, la distance entre sources peut aller jusqu'à une longueur de l'ordre du kilomètre. Lorsque la session d'acquisition est terminée, les câbles sont déplacés vers d'autres positions et une autre série de tirs est effectuée, et 10 ainsi de suite jusqu'à couvrir la totalité de la zone à explorer. Une migration point-de-tir est réalisée pour chacune des sessions d'acquisitions. Les résultats de chaque migration sont ensuite combinés selon une méthode appropriée, telles que l'addition (stacking), pour obtenir une image sismique d'ensemble. Un autre exemple de réalisation concerne la sismique marine 3D. Dans ce cas, un bateau sismique remorque une pluralité de flûtes sismiques, par exemple au nombre de 6 ou davantage, comportant chacune un grand nombre d'hydrophones régulièrement espacés. Des moyens, connus en soi, sont prévus pour maintenir les flûtes sismiques aussi parallèles que possible les unes aux autres. Des sources sismiques sont remorquées par des bateaux dits bateaux-sources. Chaque source est formée typiquement par un ensemble de canons à air. Par exemple, pour obtenir un large éventail des azimuts d'acquisition (azimuts des directions de chacune des paires sources-récepteurs), on peut prévoir deux bateaux- sources se déplaçant dans la même direction que les flûtes, l'un à la hauteur du bateau sismique, l'autre à l'arrière de la queue des flûtes sismiques, à une distance latérale convenable. Des moyens GPS prévus sur les bateaux et sur les bouées de queue des flûtes sismiques fournissent les positions des hydrophones, avec l'appoint de capteurs acoustiques placés le long des flûtes sismiques, les positions des sources ainsi que les temps-origines respectivement pour les tirs et l'enregistrement avec la précision appropriée. 2874270 11 Des moyens sont prévus pour estimer les signaux émis par les sources. Des techniques connues telles que la détermination de la signature de champ lointain (en anglais farfield signature ) permettent de réaliser une estimation des signaux effectivement émis en direction de la zone du sous-sol à explorer. La technique habituelle pour les sources constituées de canons à air consiste à définir les caractéristiques d'émission des canons à air et à les temporiser de façon à obtenir une émission d'ensemble de la source la plus proche possible d'une impulsion de Dirac. La position de la source est alors définie comme le barycentre des canons à air. On peut aussi envisager dans le cadre de l'invention d'utiliser des canons à air fonctionnant chacun comme une source indépendante, sans condition de temporisation. Les positions sont alors définies de façon individuelle pour chacun des canons à air. Chacun des canons à air est actionné de manière appropriée à des intervalles de temps irréguliers, sous la commande d'une séquence aléatoire, pour éviter les corrélations résultant d'un intervalle de temps fixe entre les tirs. Les flûtes sismiques sont reliées à un système d'enregistrement monté sur le bateau. L'enregistrement est réalisé en continu. La migration point de tir peut être réalisée comme il a été décrit cidessus pour l'exemple concernant la sismique terrestre. Une migration est effectuée pour chaque session d'acquisition correspondant à un déplacement en ligne droite des flûtes sismiques. Après un virage du bateau remorquant les flûtes sismiques, une autre session d'acquisition est réalisée, et ainsi de suite. Une migration point de tir est effectuée séparément pour chaque session d'acquisition, puis les résultats des différentes migrations sont combinées comme il a été dit plus haut. Au lieu de sources impulsives comme les canons à air, on peut envisager d'utiliser des sources marines du type vibrateur. 2874270 12 REVENDICATIONS 1;. Procédé d'exploration sismique, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes selon lesquelles: - on commande une pluralité de sources pour qu'elles émettent dans un milieu à explorer une pluralité d'ondes sismiques, chaque source occupant successivement une pluralité de positions d'émission, - on produit pour chaque émission un signal représentatif de l'émission, et on enregistre la position de la source et l'instant de début 10 d'émission, - on enregistre en continu au moyen de capteurs sismiques les signaux composites réfléchis par le milieu en réponse aux dites émissions, et on effectue une migration point de tir à partir, d'une part, d'un champ d'onde réfléchie constitué des dits signaux composites et des positions respectives des capteurs, et d'autre part, d'un champ d'onde incidente constitué des signaux représentatifs des émissions, des positions des sources et des instants de début d'émission, en vue d'obtenir une image sismique. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel il est prévu une étape de déconvolution locale portant sur une partie au moins des points du milieu à explorer, consistant à déterminer une réflectivité déconvoluée r' en ces points, la réflectivité déconvoluée étant obtenue en calculant les matrices d'autocorrélation locale: m,,y,,(Ax,Ay,Az)_1I(x,.Y,z,f)ÉI(xAx,y-Ay,z-oz,f) r puis en résolvant les systèmes linéaires: E M,,y,z(Ax, Ay,Az)r'(x ox,y-Ay,z Az)=r(x,y,z) dr,4v,4z où I(x, y, z, f) est la transformée de Fourier de l'onde incidente i, 30 I(x, y, z, f) est le conjugué de I(x, y, z, f) , f est la fréquence. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, adapté à la 5 sismique terrestre, dans lequel les sources sont des vibrateurs et les capteurs sont des géophones. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, adapté à la sismique marine, dans lequel les sources sont des sources impulsives et les 10 capteurs sont des hydrophones. 5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel les sources sont constituées d'au moins un canon à air actionné à des instants déterminés par une séquence aléatoire. 6. Procédé de traitement de données pour la formation d'une image sismique d'un milieu, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à réaliser une migration point de tir à partir - d'une part, d'une pluralité de signaux, des positions de source et des instants de début d'émission associés à chaque signal émis, - et d'autre part, des signaux composites réfléchis par le milieu en réponse à l'émission de ladite pluralité de signaux et enregistrés en continu par des capteurs sismiques, et des positions des capteurs. 7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel il est prévu une étape de déconvolution locale portant sur une partie au moins des points du milieu à explorer, consistant à déterminer une réflectivité déconvoluée r' en ces points, la réflectivité déconvoluée étant obtenue en calculant les matrices d'autocorrélation locale: Mr,,,=( Oz)=EI(x,y,z,f)'I(x-Ac, Y Ay,z-oz,f) r puis en résolvant les systèmes linéaires: 2874270 14 E (Ax, Dy, Az)r' (x Ax, y oy, z - Az) = r(x, y, z) Oc,ev,& où I(x, y, z, f) est la transformée de Fourier de l'onde incidente i, I(x, y, z, f) est le conjugué de I(x, y, z, f) , f est la fréquence. 8. Procédé d'acquisition de données sismiques, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à : - commander une pluralité de sources pour qu'elles émettent dans une zone du sous-sol à explorer une pluralité d'ondes sismiques, chaque source occupant successivement une pluralité de positions d'émission, - produire pour chaque émission un signal représentatif de l'émission et enregistrer la position de la source et l'instant de début d'émission, - enregistrer en continu au moyen de capteurs sismiques les 15 signaux composites réfléchis par le milieu en réponse aux dites émissions et les positions des capteurs, - l'émission étant exempte de condition destinée à séparer les contributions des différentes sources dans les signaux composites. 9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel les distances entre sources sont comprises entre 10 mètres et environ 1 kilomètre. 10. Procédé d'acquisition terrestre selon l'une des revendications 8 et 9, dans lequel les sources sont des vibrateurs et les capteurs sont des 25 géophones. 11. Procédé d'acquisition sismique marine selon la revendication 8, dans lequel les sources sont des sources impulsives et les capteurs sont des hydrophones. 2874270 15 12. Procédé selon la revendication 11, dans lequel les sources sont constituées d'au moins un canon à air actionné à des instants déterminés par une séquence aléatoire. 13. Procédé selon l'une des revendications 11 et 12, dans lequel les sources sont constituées d'une pluralité de canons à air actionnés indépendamment les unes des autres.