Inversion acoustique tridimensionnelle des formes d'onde complètes : méthodes algorithmes et application au réservoir pétrolier de Valhall

L'imagerie quantitative des proprietes physiques du sous-sol est fondamentale pour de nombreuses applications impliquant des echelles d'exploration tres variees: geotechnique pour l'imagerie de la proche surface, exploration a l'echelle crustale, reconstruction lithospherique et imagerie globale pour la comprehension fondamentale des processus geodynamiques, mais aussi pour l'exploitation optimale des ressources du sous-sol.Parmi les methode geophysiques, les methodes sismiques ont le pouvoir de resolution le plus eleve. La densification des dispositifs d'acquisition, la mise au point de sources et de capteurs large bande et l'augmentation de la puissance de calcul ouvrent de nouvelles perspectives pour le developpement et l'application de methodes non conventionnelles d'imagerie sismique pour une extraction plus complete de l'information contenue dans les donnees sismiques. Parmi ces methodes d'imagerie non conventionnelles, les methodes d'inversion du champ d'onde complet, fondees sur la resolution complete de l'equation d'onde pour le probleme direct (modelisation sismique) et la resolution d'un processus d'optimisation pour le probleme inverse, font actuellement l'objet de nombreux developpements methodologiques, tant au sein des communautes industrielles qu'academiques.Le challenge numerique est la resolution du probleme direct en trois dimensions pour un grand nombre de sources sismiques caracteristique des acquisitions petrolieres massives, et le challenge methodologique est la gestion de la non-linearite du probleme inverse resultant de l'eclairage incomplet du sous-sol depuis la surface par des sources de bande-passante limitee. L'apport attendu de ces methodes est la resolution de l'imagerie sismique de l'ordre de la demi-longueur d'onde propagee, sa capacite a imager des cibles complexes d'un point de vue structural notamment sous des ecrans saliferes ou basaltiques et la quantification des parametres physiques caracterisant le sous-sol tels que la vitesse de propagation des ondes de compression a laquelle peuvent s'ajouter la densite, l'attenuation, la vitesse de propagation des ondes de cisaillement et des parametres caracterisant l'anisotropie du milieu.L'objectif de cette these est de poursuivre le developpement d'une methode d'imagerie sismique acoustique 3D par l'inversion du champ d'onde complet et de l'appliquer a des donnees reelles petrolieres 3D de fond de mer enregistrees sur le champ petrolier de Valhall en Mer du Nord et de fournir une des premieres evaluations du potentiel des methodes d'inversion des formes d'onde pour l'imagerie de milieux geologiques 3D L'inversion est effectuee en domaine frequentiel ou un nombre limite de frequences est inverse suivant un protocole hierarchique maintenant bien eprouve procedant des basses frequences vers les hautes frequence: cette approche multi-echelle favorise la prise en compte de la non-linearite du probleme inverse.L'approche de modelisation en domaine temporel avec extraction du champ monochromatique par une transformee de Fourier discrete est effectuee pour calculer les champs d'onde monochromatique necessaires a la resolution du probleme inverse. L'algorithme d'optimisation du probleme inverse est fonde sur une methode de gradients conjugues preconditiones ou sur une methode quasi-Newton. Les methodes sont appliquees dans le cadre de l'approximation visco-acoustique isotrope ou le milieu est parametre par la vitesse de propagation des ondes de compression, l'attenuation et la densite. Seule, la composante hydrophone acquise en fond de mer est inversee. L'enjeu methodologique de cette these est de fournir un modele tri-dimensionelle du champ petrolier de Valhall dans un cube de dimensions approximatives 18 km x 12 km x 5 km en poussant l'inversion a la frequence la plus elevee possible.