Quantitative 4D seismic imaging in complex media using 2D full waveform inversion
Imagerie sismique 4D quantitative en milieux complexes par l'inversion 2D de forme d'onde complété
Résumé
Time-lapse monitoring is the process of acquiring and analysing multiple seismic surveys, repeated at the same place at different time periods. This seismic technique, called 4D because of the integration time in the construction of images, allows detection and estimation of the subsurface parameter variations occurred through a time evolution. Particularly, in industries, the monitoring can improve our understanding of a producing oil/gas reservoir and CO2 storage site. Analyzing the time-lapse seismics can help to better manage production programs of reservoirs. In addition, repeated surveys can monitor the evolution of injected fluid fronts and can permit to optimize injection programs which are considered for enhanced oil recovery (EOR) techniques. Several methods have been developed for time-lapse imaging using seismic wave information. In my thesis, I show that full waveform inversion (FWI) can be used for time-lapse imaging, since this method delivers high-resolution quantitative seismic images. It is a promising technique to recover small variations of macro-scale physical properties of the subsurface. In time-lapse applications, several sources of prior information are often available and should be used to increase the image reliability and its resolution. I have introduced this information through a definition of a prior model in a classical FWI approach by also considering a prior uncertainty model. In addition, I have suggested a dynamic weighting to reduce the importance of these prior models in the final convergence. In realistic synthetic cases, I have shown how the prior model can reduce the sensitivity of FWI to a less accurate initial model. It is therefore possible to obtain a highly accurate baseline model for 4D imaging. Once the baseline reconstruction is achieved, several strategies can be used to assess the physical parameter changes. We can make two independent reconstructions of baseline and monitor models and make subtraction of the two reconstructed models. This strategy is called parallel difference. The sequential difference strategy inverts the monitor dataset starting from the recovered baseline model, and not from the model used initially. Finally, the double-difference strategy inverts the difference data between two datasets which are added to the calculated baseline data computed in the recovered baseline model. I investigate which strategy should be adopted to get more robust and more accurate time-lapse velocity changes. In addition, I propose a target-oriented time-lapse imaging using regularized FWI including prior model and model weighting, if the prior information exists on the location of expected variations. It is shown that the target-oriented inversion prevents the occurrence of artifacts outside the target areas, which could contaminate and compromise the reconstruction of the effective time-lapse changes. A sensitivity study, concerning several frequency decimations for time-lapse imaging, shows that the frequency-domain FWI requires a large number of frequencies inverting simultaneously. By doing so, the inversion provides a more precise baseline model and more robust time-lapse variation model with less artifacts. However, the FWI performed in the time domain appears to be a more interesting approach for time-lapse imaging considering all frequency content. Finally, the regularized time-lapse FWI with prior model is applied to the real field time-lapse datasets provided by TOTAL. The reconstruction of local variations is part of a steam injection project to improve the recovery of hydrocarbons: it is possible to reconstruct the velocity variations caused by the injected steam.
Le suivi temporel est un processus d'acquisition et d'analyse d'acquisitions multiples répétées au même endroit sur la même cible à différentes périodes de temps. Cela s'applique bien à l'exploration sismique quand les propriétés de la cible varient au cours du temps comme pour les réservoirs pétroliers. Cette technique de sismique, dite 4D en raison de l'intégration du temps dans la construction des images, permet une détection et une estimation des variations du sous-sol survenues lors de l'évolution en temps du milieu. En particulier, dans l'industrie, le suivi et la surveillance peuvent améliorer notre compréhension d'un réservoir de pétrole/gaz ou d'un site de stockage de CO2. Analyser la sismique 4D peut aider à mieux gérer les programmes de production des réservoirs. Ainsi, des acquisitions répétées permettent de suivre l'évolution des fronts de fluide injecté: on peut optimiser les programmes d'injection de fluides pour une récupération améliorée des hydrocarbures (enhanced oil recovery). Plusieurs méthodes ont été développées pour l'imagerie variable dans le temps en utilisant les informations des ondes sismiques. Dans ma thèse, je montre que l'inversion de forme d'onde complété (FWI) peut être utilisée pour cette imagerie. Cette méthode offre des images sismiques quantitatives haute résolution. Elle est une technique prometteuse pour reconstruire les petites variations de propriétés physiques macro-échelle du sous-sol. Sur une cible identifiée pour ces imageries 4D, plusieurs informations a priori sont souvent disponibles et peuvent être utilisées pour augmenter la résolution de l'image. J'ai introduit ces informations grâce à la définition d'un modèle a priori dans une approche classique FWI en l'accompagnant de la construction d'un modèle d'incertitudes a priori. De plus, j'ai introduit une pondération dynamique de manière à réduire l'importance de ces modèles a priori lors de la convergence finale. Sur des exemples synthéques réalistes, j'ai montré que l'inversion FWI est moins sensible au modèle initial (qui peut donc être moins précis) grâce à cette utilisation de l'information a priori. Il est donc possible d'obtenir un modèle très précis comme modèle de base pour l'imagerie 4D. Une fois la reconstruction d'un tel modèle atteinte, plusieurs stratégies peuvent être utilisées pour évaluer les changements de paramètres physiques. On peut réaliser deux reconstructions indépendantes et faire la différence des deux modèles reconstruits: on parle de différence parallèle. On peut aussi effectuer une différence séquentielle où l'inversion de l'ensemble de données de la second acqusition, dite moniteur, se fait à partir du modèle de base et non plus à partir du modèle utilisé initialement. Enfin, l'approche double-différence conduit à l'inversion des différences entre les deux jeux de données que l'on rajoute aux données synthétiques du modèle de base reconstruit. J'étudie quelle stratégie est à adopter pour obtenir des changements vitesse plus précis et plus robustes. En plus, je propose une imagerie 4D ciblée en construisant un modèle d'incertitude a priori grâce à une information (si elle existe) sur la locatisation potentielle des variations attendues. Il est démontré que l'inversion 4D ciblée empêche l'apparition d'artéfacts en dehors des zones cibles: on évite la contamination des zones extérieures qui pourrait compromettre la reconstruction des changements 4D réels. Une étude de sensibilité, concernant l'échantillonnage en fréquence pour cette imagerie 4D, montre qu'il est nécessaire de faire agir simultanément un grand nombre de fréquences au cours d'un cycle d'inversion. Ce faisant, l'inversion fournit un modèle de base plus précis que l'approche temporelle, ainsi qu'un modèle des variations 4D plus robuste avec moins d'artéfacts. Toutefois, la FWI effectuée dans le domaine temporel semble être une approche plus intéressante pour l'imagerie 4D. Enfin, l'approche d'inversion 4D régularisée avec un modèle a priori est appliquée sur des ensembles de données réelles d'acquisitions sismiques répétées fournis par TOTAL. Cette reconstruction des variations locales s'inscrit dans un projet d'injection de vapeur pour améliorer la récupération des hydro-carbures: Il est possible de reconstituer des variations de vitesse fines causées par la vapeur injectée.