Full waveform inversion of walk-away VSP data

devant le jury: B. HORNBY .............................. Rapporteur N. SHAPIRO ............................. Examinateur S. SINGH ............................... Directeur de thèse J. VIRIEUX ............................. Rapporteur J. WOODHOUSE ........................... Examinateur Abstract : Depletion of the earth's hydrocarbon reserves has led to exploration and production in increasingly complex environments. Imaging beneath allochthonous salt (e.g. salt domes) remains a challenging task for seismic techniques due to the large velocity contrast of the salt with neighbouring sediments and the very complex structures generated by salt movement. Extensive allochthonous salt sheets cover many potentially productive regions in the deep-water Gulf of Mexico. Drilling through the base of salt is an extremely challenging task due to widely varying pore-pressure found in the sediments beneath. Seismic methods to estimate the seismic velocity can be used in conjunction with empirical formula to predict the pore pressure. However, accurate measurements are often not possible from surface reflection seismic data, so walk-away Vertical Seismic Profile (VSP) data has been used. This involves repeatedly firing a seismic source at various distances from the borehole (usually an airgun array) while recording the velocities measured by geophones in the borehole placed at appropriate depths near the base of the salt. Before this thesis, the data had been processed using the amplitude versus angle information in a simple one-dimension approximation or using travel time information (also using a 1D assumption). In this thesis, I have used 2D full waveform inversion to tackle the problem of velocity estimation. This has the advantage of simultaneously inverting the whole dataset (including transmitted waves, reflected waves, converted waves) and the method includes traveltime and amplitude information. The inversion was performed using local inversion methods due to the size of the inverse problem and the cost of the forward problem. Concerns over large sensitivity variations, that are inherent in the data acquisition, have lead to an examination of the Gauss-Newton method and possible preconditioning matrices for the conjugate gradient method. Due to the poorly constrained nature of the inverse problem, a smoothness constraint has been applied with an innovative preconditioning method. The methodology has been applied to real data and the pore pressure has been predicted using the well established Eaton equation. In addition, the sub-salt structure was recovered, further demonstrating the value of this technique. Résumé: Du fait de l'épuisement des réserves de pétrole, l'exploration et la production sont realisees dans des environnements de plus en plus complexes. Faire de l'imagerie sismique sous le sel allochtone (par exemple domes de sel) demeure une tache difficile a cause du fait contraste de vitesse dentre le sel et les sediments voisins et les structures tres complexes produites par les deplacements de sel. Les nappes de sel allochtone couvrent de nombreuses regions potentiellement productives dans l'offshore profond du Golfe du Mexique. Forer la base du sel est une tache extremement difficile en raison des pressions de pore fortement variables que l'on recontre dans les sediments sous le sel. Des methodes sismiques pour estimer la vitesse des ondes sismiques peuvent etre employees en meme temps que des formules empiriques pour prevoir la pression de pore. Cependant, il est souvent impossible de mesures precises depuis la surface, et nous avons donc employe des donnees VSP (Vertical Seismic Profile) ``walk-away'' cela implique d'effectuer plusieurs tirs sismique a diverses distances du forage (generalement avec un dispositif de canons a air) tout en enregistrement les vitesses mesurees par des geophones places a des profondeurs appropriees dans le forage. Avant cette these, les donnees etaient traitees en utilisant l'information d'amplitude en fonction de l'angle dans un simple approximation 1D ou en utilisant l'information de temps de parcours (egalement avec une approximation 1D). Dans cette these, j'ai effectue une inversion 2D de forme d'onde pour resoudre le probleme d'estimation des vitesses. Cela a l'avantage d'inverser simultanement l'ensemble des donnees (comprenant les ondes transmises, les ondes reflechies et les ondes converties) et la methode inclut l'information de temps de parcours et d'amplitude. L'inversion a ete execute avec des methodes locales d'inversion du fait de la taille du probleme inverse et de la difficulte du probleme direct. Les problemes lies aux grandes variations de le sensibilite inherents a l'acquisition de donnees, ont conduit a un examen de la methode de Gauss-Newton et a des matrices, de preconditionnement possibles pour la methode du gradient conjugue. En raison de la nature mal contrainte du probleme inverse, une regularisation a ete appliquee avec une methode de preconditionnement innovatrice. La methodologie a ete appliquee a des donnees reelles et la pression de pore a ete predite en utilisant l'equation bien etablie de Eaton. En outre, les structures sous le sel ont ete determinees, confirment ainsi l'efficacite de cette technique.