CA1311831C - Methode de prospection sismique permettant une connaissance amelioree des discontinuites geologiques du sous-sol - Google Patents

Abstract

Precis de la divulgation : Méthode de prospection sismique permettant une connaissance améliorée de l'emplacement et de la nature des discontinuités géologiques du sous-sol. Elle consiste essentiellement à capter des ondes sismiques qui se sont propagées dans des terrains au moyen d'un ou plusieurs récepteurs sismiques comportant chacun trois capteurs directionnels orientés suivant trois axes orthogonaux et à déterminer par combinaison des signaux fournis par les capteurs de chaque récepteur, la position réelle dans l'espace et la forme de la trajectoire décrite par le centre de gravité de chaque récepteur, en réponse aux ondes reçues, à effectuer des enregistrements des variations de ces différents paramètres en fonction de la distance des récepteurs au lieu d'émission et à localiser les emplacements de réception où se produisent des variations importantes de ces paramètres. Application au pointage des horizontaux géologiques.

Description

~ 31l~3~

L'invention a pour objet une méthode de prospection sismique permettant une connaissance ameliorée de l'emplacement et de la nature des discontinuités géologiques du sous-sol.

Les méthodes de prospection sismique comportent généralement une ~tape S d'émission d'ondes sismiques, une etape de réception en un ou plusieurs emplacements des ondes qui se sont propagées dans le terrain à etudier, une étape d'enregistrement des signaux reSus et une étape d'application aux signaux enregistrés, de traitements de natures très ;~
diverses avant de dresser des coupes sismiques où les discontinuités du sous-sol sont restituées à leur vraie place.

Une methode connue de prospection sismique comporte l'émisslon d'ondes sismiques par une source disposée soit à la surface du sol soit dans un autre puits et la reception des ondes après propagation en un ou plusieurs emplacements d'un puits fore dans le sol. :
: : :
La réception est effectuee au moyen d'un dispositif de récept;on ;~: comportant au moins une sonde de faible section, suspendue par un cable électro-porteur à un ensemble de support dispose en surface, et munie de bras d'ancrage escamotables pour plaquer le corps de la sonde contre la paroi du puits. Dans un compartiment du corps de sonde sont disposes un ou plusieurs capteurs sismiques direct;onnels.

~: Ces -capteurs sont géneralement associes par trois et leurs axes : 25 disposés suivant trois axes orthogonaux~
; ~ , . , ~ .

~ ~ .

` ~ 31183~

- 2 -Le d;sposit;f de reception peut comporter aussi plusieurs sondes de puits suspendues les unes au-dessous des autres et contenant chacune au moins un capteur triaxial, de manière a multipl;er les emplacements de reception des ondes sismiques. La sonde ou l'ensemble de sondes est descendu(e~ dans le puits et remonte(e) par paliers successifs. A
chaque pause, on effectue un cycle d'emission d'ondes sismiques.

Les ondes qui se sont propagées jusqu'a la sonde ou l'ensemble des sondes, sont reçues par les capteurs triaxiaux et les signaux sismiques sont collectés par un ensemble d'acquisition qui les transmet 3 un laboratoire de surface.

De telles sondes de puits sont décrites par exemple dans les brevets francais 2.501.380 et 2.5~,8.727 et les demandes de brevets canadiennes 562.559 du 25 mars 1988 et 563.119 du 31 mars 1988.
. ~ , Les signau~ reçus sont en general complexes. Les géophysiciens ont cherche à determiner la courbe decrite par le centre de gravite de chaque récepteur tri-axial et designée ci-après par trajectoire, à
partir des signaux reçus par les trois capteurs élementaires d'un meme récepteur et ont trouvé que la surface qui pouvait le mieux la représenter, au moins pendant un certain temps à partir du debut de la reception, etait un ellipso;de generalement tres aplati.

On a jusqu'ici considere que cet ellipsolde aplati modélisant la trajectoire reelle, était contenu dans un plan sensiblement vertical, les écarts pouvant etre négligés, et que ce plan vertical était celui qui passait par la source sismique et l'emplacement de chaque recepteur.
La sonde ou chacune d'elles étant susceptible de tourner plus ou moins sur son axe p~ndant les manoeuvres de descente ou de remontee, le ~' ' ` .,.

` " 1 3 ~

- 3 - , trièdre constitue des axes respect;fs des trois capteurs elementaires de chaque r~cepteur, peut avoir une orientation quelconque par rapport au plan vertical passant par la source et l'emplacement de reception~
Dans l'hypothèse admise, on avait à comparer et à combiner les signaux délivres par les capteurs d'un même recepteur, de maniere ~ determ;ner l'angle dièdre du plan vertical de la trajectoire avec un plan vertical de reférence formé par deux axes du trièdre et l'angle entre les axes de symetrie de la trajectoire et le plan hor;zontal. Ces deux angles que, par anaLogie on peut désigner par longitude et lat;tude, suffisa;ent pour caracteriser la pos;tion de la trajectoire. La connaissance de ces deux angles et d'autres parametres tels que l'ell;pticite de la trajectoire permettait dans l'hypothese retenue, de déterminer certaines caracteristiques geophysiques et geologiques des terrains traverses par les ondes.

La methode de prospection sismique selon l'invention permet d'ameliorer de fa5on très sensible la connaissance des caracter;stiques geologiques des terrains traversés.

Elle comporte l'em;ssion d'ondes acoustiques dans le sol, la reception des ondes acoustiques qui se sont propagees dans le sol par au moins un recepteur sismique triaxial et l'enregistrement des ondes re~ues~
Elle est caracterisee en ce qu'elle comporte la determination à partir des differents signaux délivrès par chaque récepteur, de parametres definissant la position reelle dans l'espace et la forme de la trajectnire su;vie par le centre de gravite de chaque rbcepteur, en reponse aux ondes re~ues, la determination en fonction de la distance entre chaque recepteur et le lieu d'emission, des variations de chacun desdits paramètres et la localisation des discontinuités geologiques aux profondeurs ou l'on a mesure des variations significatives desdits paramètres.
~. . - ' De pré~érance, la ~rajectoire étant modélisee par son "elllpsoide equivalent" on combine pax exemple les ondes : re,cues par les trois capteurs de chaque ~'', ' , ' ..

~ .
- ~ , , 13~i~3 l ~, --recepteur, pour determiner sa position dans l'espace et des paramètres indicatifs de sa forme, et on établit les courbes représentatives des variations des différents parametres en fonction de la distance entre chaque recepteur et le lieu d'emission des ondes sismiques.

S Chaque r~cepteur peut ~tre par exemple appliqu~ contre la paroi d'un :eorage et le lieu d'emission est situe à la surface du sol. Dans ce cas, sa distance au lieu d'~mission est sensiblement sa profondeur, et c'est en fonction de celle-ci que lesdits paramètres sont représentes.

D'autres caracteristiques et avantages de l3 méthode appara;tront a la lecture de la description d'un mode de realisation donné ~ titre d'exemple non limitatif, en se référant aux dessins annexés où :

- la figure 1 montre un ensemble de reception comportant plusieurs sondes, descendu dans un forage;

- la figure 2 montre les projections sur trois plans orthogonaux, d'une trajecto;re ayant une polarisation privilégiée dans un plan vertical, pendant un intervalle de temps limite.
- la figure 3 montre des projections sur trois plans orthogonaux d'une trajectoire reLevée pendant un intervalle de temps limité, - la figure 4 montre une représentation de la trajectoire du centre de gravite des trois capteurs d'un meme recepteur triaxial sous l'action des ondes sismiques captees, polar;see dans un plan vertical, où ~ représente la latitude et ~ , la longitude.

- la figure S represente également des projections sur trois plans orthogonaux d'une trajectoire relevée pendant un intervalle de temps limite, et illustre le cas g~neral où le plan de polarisation de la trajectoire est orienté dans l'espace de maniere quelconque; et .

~, ' ` ' . ' .:

~`" ` 13~31 - la figure 6 montre une trajectoire quelconque dans l'espace et ses paramètres représentati-fs.

Des operations de prospection sismique du sous-sol peuvent être réalisées en descendant dans un forage 1 tfig. 1) à l'extrémité d'un câble eLectro-porteur multi-fonctions 2, un disposit;f de récept;on comportant une sonde un;que 3 sous laquelle éventuelLement sont suspendues des sondes satellites 4.

Dans chacune des sondes, est disposé au moins un recepteur sismique 5 comportant au moins un capteur directif. On utilise géneralement des récepteurs triaxiaux comportant trois capteurs directifs dont les axes sont dirigés suivant trois directions orthogonales les unes par rapport aux autres et forment un trièdre trirectangle. Les sondes sont munies de bras d'ancrage et peuvent être immobilisées dans le forage à toute profondeur où des relevés sismiques doivent être effectués. Le ccible electro-porteur 2 relie la sonde 3 ou l'ensemble de sondes (3, 4) à un ensembLe de surface comportant une structure de support 6 et un treuil 7 disposé sur un véhicule 8. Les signaux captés par chaque récepteur sont transmis par des conducteurs électriques du câble, à un système central de commande et d'enregistrement 9 d;sposé
sur le véh;cule. La connex;on est directe s; le nombre de recepteurs est faible. Elle est assurée dans un autre cas par l';ntermed;a;re d'un appareil d'acquisition de donnees disposé dans une des sondes et adapté à collecter, numeriser et coder les signaux sismiques à
transmettre~ De tels ensembles de reception pour forage sont décr;ts dans les demandes de brevets ou brevet français precites.

La sonde ou L'ensemble de sondes étant plaqué contre la paro; du forage à une profondeur choisie, on actionne une source sismique 10 disposee au contact du sol et on procède à l'enregistrement des ondes qui se sont propagées jusqu'aux différents recepteurs. -Le déplacement des particules de terrain dans la paroi du forage .. . .
- . . .~ , . .

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contre laquelle sont appl;qués les recepteurs sismiques, est en général fort complexe.

Le mouvement du centre de gravité de chaque recepteur sismique triaxial peut être representé comme le montre la figure 2, par sa projection sur trois plans orthogonaux, le plan vert1cal X O ~
contenant l'emplacement d'un recepteur sismique et celui de la source sismique 10, le plan vertical y O ~ perpendiculaire au précédent et le plan hor;zontal X oy . On désignera ci-après par trajectoire ce mouvement du centre de gravité. Si on limite la durée d'enregistrement des signaux, la trajectoire décrite peut être représentee de manière plus simple par une courbe dans l'espace qui peut, avec une bonne approximation, être considérée comme un ellipso;de très aplati. On voit sur la figure 3 que la projection de la trajectoire sur le plan X O ~ est quasiment une ellipse alors que les projections sur les deux plans orthogonaux au premier ( ~ ~ ~ et X O y) sont presque réduites à
des segments de droite.

L'exploitation des enregistrements obtenus a éte faite jusqu'ici en partant de l'hypothèse que l'ellipsoide quasi-plan parcouru par la trajectoire, était contenu dans un plan vertical et que ce plan passait par l'emplacement de réception et celui de la source sismique S (10). Du fait de la torsion du câble électro-porteur durant les manoeuvres de montee, la position du trièdre (~ H2, H3) forme par les axes des capteurs d'un recepteur triaxial (fig. 4) peut être quelconque. L'axe H3 pouvant être considéré comme toujours vertical, l'indetermination porte en fait sur la position du repère (H1, H2).
Dans l'hypothèse en vigueur où la trajectoire était considérée comme quasiment contenue dans le plan vertical ~ O Z passant par le point d'emission S (fi9. 4?, un seul angle ~ qui correspond par analogie à
une longitude, suffisait a caractériser le plan de polarisation de la trajectoire.

Le traitement des donnees sismiques lues sur les enregistrements, ~ 31~3~

consistait dans ce cas a combiner les trois signaux de chaque récepteur de manière à calculer l'angle ~ et aussi l'angle ~ , analogue à une latitude, representant l'inclinaison du grand axe de l'ellipse par rapport à l'horizontale.

La méthode selon l'invention permet, par une prise en compte plus réaliste de la complexité des trajectoires détectées, de mesurer tout au long du forage un nombre plus important de parametres traduisant genéralement des variations lithologiques et géologiques des differentes couches traversées et donc d'obtenir une représentation plus detaillée du sous-sol.

La figure S montre en effet que la trajectoire ne se projette pas de facon privilégiée dans le plan X O ~ comme dans le cas representé à la figure 3 mais dans les deux plans complementaires y ~ et X O y et que c'est la projection dans le plan X O y qui est ici réduite presque à un segment. On le vérifie aisément par la constitution et l'examen d'un couple stéréoscopique de la trajectoire qui montre que le plan moyen n'est plus vertical. Ceci s'explique par le fait que dans la plupart des cas, le plan de polarisation privilégié de la trajectoire n'est pas situe dans le plan vertical passant par chaque récepteur et l'emplacement d'émission 10 mais qu'il présente une certaine obliquité
par rapport à la verticale.

L'ellipso;de T representant le mieux la trajectoire observee doit donc être defini par un plus grand nombre de paramètres, comme le montre la figure ~. ~ 1 designe l'axe principal de polarisation de l'ellipsoide; ~ 2 ~ son second axe orthogonal au premier et V 3 ~
son troisième axe perpendiculaire au plan formé par les deux precédents. Pour définir la position de ces trois axes, on peut utiliser par exemple les angles d'Euler. L'angle ~ dit de nutation est celui que fait l'axe principal V 1 avec la vertical O ~ . Le plan normal à l'axe principal ~1 coupe le plan horizontal suivant une ligne hh' qui fait un angle ~ dit angle de précession, avec 3 :1 . ~

l'axe H1 d'un des deux capteurs horizontaux de chaque récepteur sismique triaxial. Cette même ligne hh' fait avec le troisieme axe ~ 3 un angle ~ dit de rotation propre. On définit aussi un quatrieme angle ~ dit ~d'inclinaison latérale. C'est l'angle qu; fait le troisième vecteur ~3 avec le pLan horizontal.

On def;nit une portion de trajecto;re par un certain nombre n d'échantillons de signaux à tro;s composantes. A part;r des valeurs des signaux enregistrés par les trois capteurs d'un meme recepteur triaxial et par une methode de transformation connue en soi, on calcule la matrice de covariance des échantillons sur un ;ntervalle de temps determiné et l'on obtient trols va_~urs propres l1~ l2, l3 et les trois vecteurs propres V1~ V2~ ~3 définis chacun par trois cosinus-directeurs, par rapport aux trois axes H1, H2, ~ du trièdre lie a chaque récepteur sism;que. Au vecteur propre ~j (i = 1,2 ou 3) correspondent les cos;nus-directeurs ~ 1 VjH2et ~/i. On peut alors calculer les racines carrées des tro;s valeurs propres precédemment déterm;nées, racines qui représentent les longueurs a, b et c des trois demi-axes de l'ellipso;de equivalent, à un coefficient constant près.
Les valeurs des quatres angles precédemment définis, se calculent alors par les formules suivantes :

' ~ = cos 1t V1) = tan 1( ~H11/_ ~H

q~ = tan 1( V3 / V2 ) ~ = sin 1 On détermine aussi d'autres paramètres de polarisation tels que notamment les coefficients d'elliPticité e21, e31, e32 en faisant les .~: :, . .
'.: ' ' _ 9 ~

les rapports entre les valeurs des trois demi-axes a, b, c précedemment calculés, ou bien encore un coefficient de planéité p en combinant les valeurs des trois demi-axes a, b, c.

Les valeurs des différents paramètres ayant été caLculées pour chaque recepteur sismique triaxial, on peut donc déterminer leurs courbes representatives en fonctlon de la profondeur de réception et en faire des enregistrements.

La Lecture de ces enregistrements de paramètres facilite beaucoup l'interprétation des enregistrements sismiques dans la mesure où ;l existe une corrélation manifeste entre les profondeurs ou se situent des zones de discontinuites géolog;ques et celles où l'on observe des variations importan~es dans les courbes representatives des parametres. On peut observer en particulier :
- qu'un accroissement de l'elliptic;té pr;nc;pale e21 de l'ellipsoide va de pair avec une atténuation accrue; et - qu'une décroissance de l'angle de nutation ~ est associee à une diminut;on locale de la vitesse de propagation des ondes sismiques.

En tenant compte des courbes de variation des paramètres, on peut donc préc;ser la position des horizons sur les enregistrements sismiques.

Dans l'exemple conidere, les récepteurs triaxiaux sont disposes dans un forage. Il va de soi que la methode selon l'invention pourrait être appliquée en disposant les récepteurs en surface.

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. 1. - :, ,. , . ~ . :

Claims (6)

1. - Méthode de prospection sismique permettant de connaître avec une meilleure précision la nature des discontinuités géologiques du sous-sol, comportant l'émission d'ondes acoustiques dans le sol, la réception des ondes acoustiques qui se sont propagées dans le sol par au moins un récepteur sismique triaxial et l'enregistrement des ondes reçues, caractérisée en ce qu'elle comporte la détermination à partir des différents signaux délivrés par chaque récepteur, de paramètres définissant la position réelle dans l'espace et la forme de la trajectoire suivie par le centre de gravité de chaque récepteur, en réponse aux ondes reçues, la détermination en fonction de la distance entre chaque récepteur et le lieu d'émission, des variations de chacun desdits paramètres et la localisation des discontinuités géologiques aux profondeurs où l'on a mesuré des variations significatives desdits paramètres.

2. - Méthode selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite trajectoire étant modélisée par un ellipsoïde, on combine les amplitudes des ondes reçues par les trois capteurs de chaque récepteur pour déterminer sa position dans l'espace et des paramètres indicatifs de sa forme, et on établît les courbes représentatives des variations des différents paramètres en fonction de la distance entre chaque récepteur et le lieu d'émission des ondes sismiques.

3. - Méthode selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que chaque récepteur est appliqué contre la paroi d'un forage et le lieu d'émission est situé à la surface du sol, la distance entre chaque récepteur et le lieu d'émission étant sensiblement sa profondeur.

4. - Méthode selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que les récepteurs sont disposés en surface, ladite distance étant leur déport longitudinal par rapport au lieu d'émission.

5. - Méthode selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'on définit la trajectoire par n points en prélevant n échantillons sur les signaux délivrés respectivement par les trois capteurs de chaque récepteur triaxial, on calcule la matrice de covariance de ces n échantillons à trois composantes, de matière à déterminer les valeurs propres et vecteurs propres définis par leurs cosinus-directeurs respectifs et on combine les valeurs propres et les cosinus directeurs obtenus de manière à déterminer les angles repérant la position réelle dans l'espace de l'ellipsoïde modélisant la trajectoire et des paramètres indicatifs de sa forme.

6. - Méthode selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'on détermine notamment des coefficients définissant l'ellipticité et la planéité de la trajectoire, on détermine leurs variations en fonction de la distance entre le lieu d'émission et l'emplacement de chaque récepteur et on localise des discontinuités géologiques pour des valeurs de la distance où l'on observe des variations importantes des valeurs desdits coefficients.