Utilisation de capteur distribués à fibre optique pour le vertical

Utilisation de capteur distribués à fibre optique pour le vertical seismic
profiling (VSP) dans les puits de forage et pour la calibration du modèle de
vitesse
Distributed fibre optic sensor for borehole vertical seismic profiling (VSP)
and velocity/depth model calibration
Ecole Doctorale 398 Géosciences et Ressources Naturelles
Nom, label de l'unité de recherche (ainsi que l'équipe interne s'il y a lieu) :
Centre de Géosciences / Équipe de Géophysique
MINES ParisTech
Localisation (adresse) :
35, rue Saint-Honoré
77305 Fontainebleau Cedex, France
Nom du directeur de thèse et des co-encadrants :
Hervé Chauris et Daniela Donno (MINES ParisTech, France)
Arthur Hartog et James Martin (Schlumberger)
Adresse courriel du contact scientifique :
[email protected]
[email protected]
Argumentaire scientifique présentant les enjeux de la thèse :
Le projet de cette thèse se situe dans le cadre de l’exploration géophysique dont l’objectif est de
caractériser la structure interne des roches du sous-sol. Cette information est essentielle pour la
recherche de réservoirs pétroliers, pour le stockage souterrain et pour l’archéologie.
Une nouvelle technologie émergente pour l'enregistrement de données sismiques est le capteur distribué à fibre optique, dont le principe est d'utiliser une simple fibre optique, des types souvent déployées dans le secteur des télécommunications, comme un capteur pour mesurer
les ondes sismiques à chaque mètre sur la longueur de la fibre. La simplicité de déploiement d'une fibre optique avec sa petite section transversale offre beaucoup d'opportunités pour
réaliser des mesures acoustiques dans les forages. Une fibre déployée dans un puits peut
détecter les signaux sismiques, générés par de sources sismiques en surface, de la surface à la
profondeur maximale du puits. Ces mesures peuvent aussi révolutionner l'étalonnage du
modèle de vitesse 3D, essentiel pour l'imagerie et l’inversion de données sismiques 3D et 4D.
Description du projet/sujet de thèse :
La physique de ce qu'est une fibre distribuée mesure est mal connue, de même que les
techniques de traitement du signal pour extraire l’information qui décrit le champ d'onde
sismique élastique. Le couplage de la fibre avec la paroi du puits, ainsi que la nature et la
structure de la fibre optique elle-même peut également être optimisé pour fournir des mesures
plus fiables.
Le thésard devra étudier la physique fondamentale de la façon dont une fibre enregistre le
champ d'ondes élastiques, grâce à l'utilisation de codes de modélisation par éléments finis et
des expériences de laboratoire. Les techniques de traitement du signal nécessaires pour fournir
des mesures de haute-fidélité seront également étudiées. L'étudiant devra déterminer les
meilleurs moyens d'effectuer des mesures des données sismiques dans un puits de forage. Ces
solutions seront évaluées en utilisant des expériences contrôlées sur le terrain sur des sites de
test mis à disposition par le partenaire industriel. Les profils de vitesse en profondeur
déterminées à partir des capteurs distribués à fibre optique seront comparés avec ceux des
approches classiques. L'application des mesures des capteurs distribués à fibre optique à
l'imagerie 3D des données sismiques sera également évaluée.
Programme de rattachement/Financement :
Ce projet est fait dans le cadre d’une collaboration partenariale avec Schlumberger.
Connaissances et compétences requises :
Le candidat devra avoir un master de recherche en physique, géophysique, mathématiques appliquées
ou avoir fait des études d'école d’ingénieur. Le candidat doit montrer de l’enthousiasme pour les
applications en traitement des données sismiques et en imagerie sismique. Des compétences solides
seront requises en programmation informatique. Le candidat devra être capable d'écrire et de parler
anglais avec un minimum d'aisance.
Research motivations:
The research context of the PhD thesis is geophysical exploration, whose aim is the study of the Earth
subsurface by exploiting and analyzing the properties of seismic/elastic waves which are reflected by
the subsurface in-homogeneities and recorded at the surface. The provided subsurface characterization
is crucial in many fields: to find oil and gas traps, to study waste-disposal or archaeological sites.
A new emerging technology for the recording of seismic data is the distributed fibre optic sensor,
whose principle is to use a simple optical fibre, of the types often deployed in the telecommunications
industry, as a sensor to measure the seismic elastic wavefield every metre over the entire length of the
fibre. The simple deployment of a single optical fibre with its tiny cross-sectional area offers much
opportunity to make acoustic measurements in boreholes where access for conventional vertical
seismic profiling tools will be time consuming and very expensive. A fibre deployed in a well can
detect multi-offset and azimuth signals from surface seismic sources from the surface to the deepest
depth of the well. These measurements can revolutionise the calibration of the 3D velocity/depth
model, essential for the accurate imaging and inversion of 3D and 4D seismic data and their
conversion to true depth, (Barberan et al., 2012, Mestayer et al., 2012 and Miller et al. 2012).
Project description / PhD thesis research subject:
The physics of what a distributed fibre actually measures is poorly understood, as are the signal
processing approaches needed to extract the most value from such systems within the context of
seismic elastic wavefield sampling. The coupling of the fibre to the borehole wall and the optical
nature and structure of the fibre itself can also be optimized to deliver more reliable measurements.
The student will study the fundamental physics of how a fibre interacts with the environment into
which it is deployed and its sensitivity to the seismic elastic wavefield, through the use of finite
element modelling codes and laboratory experiments. The essential signal processing approaches
needed to deliver measurements of high fidelity will also be researched. The student will determine
the optimum means of making accurate measurements of the seismic elastic wavefield within a
borehole. These solutions will be evaluated using controlled field experiments at test sites made
available by industrial partners. The student will work on the collection, analysis and interpretation of
experimental field data. The velocity/depth profiles determined from distributed fibre optic sensor
will be compared with those from conventional approaches using inversion of surface seismic data and
check-shot vertical seismic profiles. The application of the distributed fibre optic sensor measurements
to 3D imaging of seismic data will also be evaluated.
Candidate profile:
Students with a strong background in physics, mathematics, numerical modelling (finite element
modelling) and signal processing are encouraged to apply. The candidate should also have experience
in programming.The student will contribute to and participate in laboratory and field experiments as
part of their project.
References:
Barberan, C., Allanic, C., Avila, D., Hy-Billiot, J., Hartog, A., Frignet, B., and Lees, G., (2012),
Multi-offset Seismic Acquisition Using Optical Fiber Behind Tubing, 74th EAGE Conference.
Mestayer, J., Grandi Karam, S., Cox, B., Wills, P., Mateeva, A., Lopez, J., Hill, D. and Lewis, A.,
(2012), Distributed Acoustic Sensing for Geophysical Monitoring, 74th EAGE Conference.
Miller, D., Parker, T., Kashikar, S., Todorov, M., and Bostick, T., (2012), Vertical Seismic Profiling
Using a Fibre-optic Cable as a Distributed Acoustic Sensor, 74th EAGE Conference.