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Le résumé ci-après présente les avantages de la sismique réflexion en AMPLITUDE ABSOLUE pour le géologue –interprétateur. En outre, une méthode innovante de détection et quantification des MULTIPLES INTERNES est exposée à partir d’un cas d’étude de VSP 1D /source à zéro-offset, puits vertical / permettant d’exprimer les limitations physiques de résolution de la sismique de surface et d’avertir le géophysicien de traitement des données de sismique de surface, ainsi que l’interprétateur des images finales obtenues.  >> Version anglaise

Environ les trois quarts des opérations commerciales de sismique de puits sont des Profils Sismiques Verticaux à zéro–offset (Z-VSP), enregistrés avec UNE seule source de surface placée proche de la tête de puits.

La méthode PSV consiste à enregistrer un signal sismique issu d’un capteur situé dans un puits, qui est balayé par une onde sismique descendante générée par une source en surface, suivi en retour par les signaux des ondes montantes  provenant des divers réflecteurs situés au-dessous dudit capteur de puits. 

A- Restitution des réflexions VSP en AMPLITUDE VRAIE

De façon surprenante, il est facile, robuste et peu onéreux d’extraire l’amplitude et la phase des réflexions sismiques au cours du traitement des VSP, au moins dans le domaine du corridor stack jusqu’à un temps de 50 à 100ms après l’arrivée directe et dans la bande de fréquence de réception peu bruitée du VSP, après application de la déconvolution de signature classique par le train d’onde descendant-incident introduite par Nigel Allistair Anstey : 1976 patent GB 1 569 581-ANSTEY.
De fait, ce procédé de  déconvolution des VSP fut utilisé immédiatement par l’industrie lorsque les VSP commencèrent à être enregistrés de façon numérique, vers 1975. L’article de base Reflections on Amplitudes pour la sismique de surface fut publié en 1971 par N.A. Anstey avec O’ Doherty R.F. 

Les procédures d’acquisition et de traitement des VSP initiées par N.A. Anstey dans son brevet ont été améliorées par les praticiens, notamment par l’usage de sources sismique hautement répétables telles que les camions vibrateurs pour enregistrer les VSP à terre, et les canons à air pour les VSP en mer. 

Pour le traitement industriel des VSP, des algorithmes très précis sont utilisés à présent, cependant l’ordre des différentes opérations de traitement peut faire l’objet de révision: par exemple, la compensation de divergence sphérique devrait être préférablement appliquée AVANT séparation des trains d’onde et APRES déconvolution, afin de compenser correctement les effets de propagation sismique sur un jeu de données reflétant la réponse impulsionnelle VSP de la terre : la fidélité du traitement est en effet une garantie de la qualité et fiabilité des réflexions sismiques issues du VSP.  Une procédure de traitement de VSP en amplitude absolue est décrite dans le brevet US patent 2003/0086335 A1 de Naville, C., illustrée par un cas d’étude réel de VSP. Afin de simplifier les procédures usuelles de traitement VSP visant à l’obtention d’un champ d’ondes réfléchies de VSP en amplitude absolue, une alternative au traitement est proposée comme suit :

  1. La déconvolution est appliquée en PREMIERE opération de traitement en utilisant pour signature une ondelette descendante de longueur courte à moyenne, typiquement de 100 à 600ms, extraite après normalisation d’amplitude de l’arrivée directe pointée. Ce faisant, le signal d’onde incidente et le signal des réflexions subséquentes sont compressés en impulsions AVANT toute correction de divergence sphérique, qui doit être appliquée sur des données sismiques qui représentent la réponse impulsionnelle VSP du terrain.  En effet, en sismique terrestre, des répétitions et échos de signal de source sont réémis par les hétérogénéités du terrain situées à proximité immédiate de la source, à grande distance relative des récepteurs profonds des signaux VSP, et ces répétitions de signal peuvent être assimilées à la construction d’un long signal d’une même source: de fait, les répétitions du signal de source peuvent être estimées avec exactitude par extraction du train d’onde descendant, puis compressées en une impulsion de Dirac à bande limitée, par l’opération classique de déconvolution de signature, de façon analogue à l’opération de corrélation appliquée en premier lieu aux signaux bruts enregistrés lorsqu’une source sismique vibratoire à balayage de fréquence est mise en œuvre. Il convient de garder à l’esprit que la récupération de la décroissance d’amplitude par divergence sphérique n’est pas une opération linéaire sur un signal long ( une seconde ou davantage), et en conséquence l’ordre d’application de cette opération ne peut être inversé avec une autre opération linéaire (par exemple la corrélation ou la déconvolution par une de signature de longueur similaire, 0.5s ou plus) ; en langage mathématique, on exprime que l’application d’une rampe de gain tel que la compensation de divergence sphérique ne «commute» pas avec une autre opération linéaire de longueur d’opérateur similaire, alors que cela ne pose pas de problème en première approximation avec un opérateur court, tel qu’un filtre de fréquence par exemple. De fait, la compensation de gain de divergence sphérique sur les signaux sismiques bruts, typique en traitement sismique de surface, conduit les praticiens du traitement VSP à allonger les longueurs de signature utilisée pour la déconvolution, ce qui peut dégrader la fiabilité de phase des réflexions profondes apparaissant à un temps supérieur à 400ms de l’arrivée directe.
    Par ailleurs, dans un milieu 1D à stratification horizontale par exemple, il est aisé de constater que l’atténuation de divergence sphérique de l’arrivée directe observée à une profondeur donnée n’est pas identique à celle d’un réflexion sismique apparaissant au même temps de propagation sur le signal VSP enregistré à une moindre profondeur. Cette dernière observation justifie d’effectuer une « compression temporelle » du train d’onde descendant retenu comme « signal de source incident » au préalable de toute autre opération de traitement, pour permettre de garder intact le rapport d’amplitude entre arrivée directe impulsionnelle et les réflexions sismiques sur les traces-profondeur du VSP. En outre, cette procédure simplifie les opérations de traitement qui suivent et diminue le risque d’erreur de manipulation informatique des amplitudes des données VSP, spécialement lorsque les trois composantes sont prises en compte. Cette déconvolution peut également être appliquée avant orientation des 3 composantes.  
     
  2. Après déconvolution de signature du champ d’onde total des données VSP l’arrivée directe est normalisée à une amplitude de référence identique à toute profondeur. Par définition, la normalisation d’amplitude de l’impulsion d’arrivée directe déconvoluée compense de tous les effets de propagation en transmission, divergence sphérique et atténuation, entre la source de surface et le récepteur de puits, sous réserve de ne considérer qu’UN seul trajet de propagation.
     
  3. La relation de divergence sphérique versus temps double sismique est de préférence issue des temps d’arrivée sismiques verticaux simples du VSP comme illustré sur la diapo 6 de la présentation OA02-More info from VSP, ce qui élimine des tests d’estimation visuelle de correction de divergence pendant le traitement du VSP et contraint la quantification des amplitudes, y compris pour le traitement de la sismique de surface locale au puits. Lorsque la structure géologique du milieu de propagation  peut être assimilée à UNE dimension, la divergence sphérique des réflexions VSP peut être déduite simplement des temps d’arrivée directe VSP, comme indiqué dans le brevet US patent 2003/0086335 A1.
     
  4. La correction de gain qui compense avec précision la divergence sphérique peut être appliquée sur le champ d’onde total déconvolué du VSP avant séparation des ondes montantes et descendantes, à la suite de quoi l’impulsion d’arrivée est normalisée à nouveau. L’arrivée directe déconvoluée-normalisée et alignée du VSP est alors éliminée par application d’un filtre de vitesse et, si nécessaire, les arrivées descendantes résiduelles en onde-S sont éliminées par un autre filtre de vitesse afin d’obtenir un champ d’ondes réfléchies P-P en temps double sur lequel on compensera des effets d’atténuation intrinsèque à chaque couche, après estimation déduite de l’étude des amplitudes d’arrivée directe du VSP.
     
  5. Les réflexions sismiques contenues dans le domaine du corridor stack, qui est grosso modo défini par une courte fenêtre-temps de 50 à 100ms située immédiatement après l’arrivée directe, ne nécessitent qu’une très faible compensation de divergence sphérique pour restituer leurs amplitudes absolues, ce qui simplifie considérablement la tâche du traitement VSP pour obtenir les valeurs absolues des réflexions sismiques au voisinage immédiat du puits. En effet, si le pic d’amplitude de l’arrivée directe déconvoluée est normalisé à  la valeur 100, les amplitudes absolues de réflexion peuvent être lues en valeur de pourcentage, à commencer dans le domaine du corridor stack.
     
  6. Une vérification des valeurs de réflexion a été effectuée par traitement des résultats d’un modèle numérique par différences finies de VSP 2D acoustique, sans atténuation de strates horizontales, avec récepteurs dans un puits vertical et source ponctuelle à zéro-offset.  La figure de la diapo 20 de la présentation True Amplitude 3C VSP method montre différentes versions du VSP Corridor Stack (VCS) en amplitude absolue, que l’on peut comparer au Sismogramme Synthétique en amplitude absolue issue du même modèle synthétique géométrique 1D, à la même échelle temps double, de gauche à droite :
    a) VCS sans aucune compensation d’amplitude des réflexions ;
    b) VCS avec correction de divergence sphérique uniquement ;
    c) VCS après correction de divergence sphérique  et correction d’atténuation en transmission, extraite des amplitudes mesurées de l’arrivée directe VSP.
    d) Sismogramme Synthétique en amplitude absolue calculé à partir des logs de sonic et densité du modèle stratifié 1D initial, convolué par l’ondelette zéro-phase obtenue par auto- déconvolution du train d’onde descendant du VSP choisi comme signature.
    e) Modèle d’impédance initial 1D.
Schema-True-Amplitude-Corridor-stack-results

    
Sur la figure ci-dessus, le pic d’amplitude du pulse de signature auto-déconvolué a été réduit à 40 % pour faciliter la comparaison avec les réflexions du corridor stack-VSP.

On peut ainsi apprécier la fiabilité des amplitudes absolues du corridor stack-VSP car les amplitudes de la trace c) sont très proches (1 %) de celles du sismogramme synthétique d), alors que le traitement des signaux VSP est totalement indépendant des données du modèle initial.

Si aucune compensation d’amplitude n’est appliquée sur les réflexions, sur la trace a), les amplitudes des réflexions sont sous-estimées d’environ 10  % relativement aux amplitudes absolues de la trace d), alors qu’un intervalle-temps plutôt long de 100 ms a été retenu pour construire le corridor stack ; toutefois les amplitudes relatives entre réflexions sont quasiment correctes. 

L’exemple précédent indique que la pratique industrielle de production du sismogramme synthétique peut fournir aisément les amplitudes absolues à partir du log sonic calibré par les temps du VSP, et préférablement du log de densité, dans la bande de fréquence de l’ondelette de convolution qui peut être choisie à l’identique de la bande de fréquence du corridor stack-VSP en amplitude absolue dans l’optique d’une confrontation interprétative des résultats des deux méthodes, avec une recherche d’explication  des différences observées.

B- Détection des réflexions MULTIPLES INTERNES par VSP ; exemple d’élimination de multiple interne sur VSP réel.

Le principe de propagation montrant la génération et l’apparition d’un multiple interne entre deux réflecteurs horizontaux sur des données d’un VSP enregistré en puits vertical avec une source sismique de surface placée à proximité immédiate de la tête de puits, ainsi que le prétraitement sismique de détection fine dudit multiple interne sur le train d’onde descendant est illustré sur le document : Internal multiple from VSP-Overview 

Un exemple de problème d’imagerie par sismique de surface sur cas réel où l’on disposait d’un VSP est exposé en détail sur les figures commentées de la présentation : IFPEN-TAQA-Canada_internal multiple from VSP. Une analyse minutieuse et un traitement approprié des données du VSP fit apparaitre deux problèmes concomitants de propagation sismique :
 i) la très forte atténuation des hautes fréquences sismiques au-dessus de 60Hz associée à une nette rotation de phase du signal sismique transmis à travers une couche de charbon de 12m d’épaisseur,
et ii) des multiples internes entre le toit de la couche de charbon et des forts réflecteurs voisins situés au-dessus du charbon ; les multiples internes attendus entre la base du charbon et les forts réflecteurs voisins sous-jacents ne sont pas clairement observés. 

De façon innovante, le multiple interne observé entre le toit de la couche de charbon et les forts réflecteurs voisins situés au-dessus du charbon a fait l’objet d’une tentative d’élimination par traitement approprié des signaux de VSP enregistrés par les capteurs de puits localisés au-dessus de la couche de charbon, avec un succès franc pour les réflecteurs sismiques immédiatement sous-jacents à la couche de charbon, mais un succès mitigé au niveau de l’intervalle réservoir ciblé en profondeur.

En conséquence, les observations tirées de l’analyse profonde des données VSP ont été mise à profit pour concevoir une séquence de retraitement adaptée des données sismiques de surface, permettant de mitiger TRES FORTEMENT les effets délétères de rotation de phase induits par la transmission sismique à travers la couche de charbon, qui altèrent l’image du réservoir ; en prime, dans le cas étudié, les hautes fréquences au-dessus de 60Hz sont totalement atténuées par la couche de charbon et sont absentes des réflexions de l’intervalle réservoir sous-jacent…
 
Le traitement testé positivement sur les données de sismique de surface consiste en une déconvolution prédictive calculée indépendamment sur deux fenêtres temporelles, situées au-dessus et au-dessous de la forte réflexion du banc de charbon : à présent, cette procédure serait appliquée de façon plus moderne à l’aide de routines de déconvolution surface consistantes avant stack, avec des tests sur de choix des fenêtres de calcul des opérateurs. Incidemment, ces conclusions sont très similaires à celles atteintes indépendamment et sensiblement à la même date vers 1996 par Craig A. Coulombe and D. Neil Bird dans leur étude sismique de puits et de VSP dans un puits situé à l’Ouest d’Edmonton, publiée dans l’article intitulé : Transmission filtering by high-amplitude reflection coefficients.
 
La production du VSP corridor stack en amplitude vraie s’avère constituer un modèle de réponse du sous-sol en réflexion plus fiable que le sismogramme synthétique élaboré avec une diagraphie de densité altérée par le cavage du puits. Lorsque c’est possible, le VSP corridor stack en amplitude vraie sera donc utilisé pour calculer les opérateurs d’inversion en impédance de la sismique de surface. 

Le VSP corridor stack dans un contexte structural de faible pendage permet donc de guider, contrôler et confirmer la qualité du traitement de la sismique de surface, y compris au-dessous du fond de puits. Les opérateurs de transmission calculés à partir du train d’onde descendant et stationnaire de VSP permettent d’évaluer avec exactitude les atténuations, la présence de multiples internes complexes accompagnés de rotation de phase également complexe, dont la validité reste locale au puits. C’est pourquoi les routines et les paramètres de déconvolution de la sismique de surface doivent être adaptés avec soin aux données à traiter, en connaissance du contexte géologique et en gardant à l’esprit que les caractéristiques géométriques et physiques des bancs de charbon peuvent varier latéralement au puits. 
Malheureusement, les caractéristiques du train d’onde descendant sont rarement étudiées en détail par les professionnels du traitement des VSP d’une part, et totalement ignorés par les industriels du traitement des données de sismique de surface d’autre part…

Enfin, les enseignements supplémentaires dérivés du traitement du VSP en amplitude vraie sont détaillés dans le fichier des annexes ci-après :
  
IFPEN-TAQA-Canada_VSP-appendices, avec :

Annexe-A : examen des mesures de diagraphie, comparaison des sismogrammes synthétiques en amplitude vraie avec le VSP-Corridor Stack en amplitude vraie, et correction de la diagraphie de densité enregistrée par la valeur de densité dérivée du VSP-Corridor Stack et du log sonic au droit des caves ; la présence de grandes caves faussent la mesure de diagraphie de densité, notamment au droit de la couche de charbon et au droit d’autres couches lithologiques. Les corrections de la diagraphie de densité par interpolation au droit des intervalles profondeur affectés de cavage sont également inexactes. Ceci montre l’intérêt d’effectuer une inversion du VSP-Corridor Stack en amplitude vraie non seulement en impédance, mais encore en densité réelle grâce à la connaissance de la diagraphie sonic qui n’est pas altérée par le cavage du puits.

Annexe-B : examen des trois composantes du VSP à très faible offset après réorientation, déduction du pointé des temps d’arrivée directe en onde S, Vitesse S, rapport Vp/Vs, identification d’un fort multiple sismique entre la réflexion sur le banc de charbon et la surface, identification d’un résidu d’onde de tube sur le champ d’onde réfléchi P-P, amplification du signal d’onde de tube indésirable au droit des caves indiquant l’impossibilité d’obtenir un bon couplage mécanique de l’outil VSP au niveau des stations profondeurs affectées de caves. Toutefois, ces altérations locales de la réponse de l’outil VSP à quelques stations profondeur localisées ne s’avèrent pas gênantes pour le traitement du VSP en amplitude vraie, et n’altèrent pas les conclusions interprétatives obtenues.

Annexe-C : analyse de fréquence du champ d’onde réfléchi P-P du VSP en amplitude vraie, par filtres de fréquence en temps de préférence à un calcul de spectre. Les images des signaux filtrés apparaissent à la fois en amplitude vraie, et après égalisation, afin de faciliter l’évaluation visuelle des amplitudes. Cette méthode permet d’observer que les réflexions sismiques en provenance des interfaces sous-jacents au banc de charbon et bien identifiées sur le VSP-Corridor Stack et les diagraphies sont TOTALEMENT atténuées au-dessus de 60Hz lorsque le récepteur sismique de VSP est situé au dessus du banc de charbon : ces fréquences sont donc IRREMEDIABLEMENT PERDUES en sismique de surface, pour une raison inhérente à la physique de propagation sismique, et non pour des raisons de technologie ou de paramètres/conception de mise en œuvre inadaptés. 
 

Contact scientifique :
Charles Naville
Direction Géosciences
charles.naville@ifpen.fr

 

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