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AVERTISSEMENT Ce document est le fruit d'un long travail approuvé par le jury de soutenance et mis à disposition de l'ensemble de la communauté universitaire élargie. Il est soumis à la propriété intellectuelle de l'auteur. Ceci implique une obligation de citation et de référencement lors de l’utilisation de ce document. D'autre part, toute contrefaçon, plagiat, reproduction illicite encourt une poursuite pénale. Contact : ddoc-theses-contact@univ-lorraine.fr LIENS Code de la Propriété Intellectuelle. articles L 122. 4 Code de la Propriété Intellectuelle. articles L 335.2- L 335.10 http://www.cfcopies.com/V2/leg/leg_droi.php http://www.culture.gouv.fr/culture/infos-pratiques/droits/protection.htm J36o36 9 \3 o . 1..0 l( T U PL oSa 1\J École Nationale Supérieure de Géologie Institut National Polytechnique de Lorraine École doctorale RP2E EXTRACTION AUTOMATIQUE D'INFORMATION GÉOLOGIQUE , A PARTIR D'IMAGES SISMIQUES TRIDIMENSIONNELLES ' THE SE Semee Commun de la Documentation INPL Nancy-BrabOi~ présentée et soutenue publiquement le 29 octobre 2004 pour l'obtention du Doctorat de l'Institut National Polytechnique de Lorraine Spécialité Géosciences par Emmanuel LABRUNYE Composition du jury Président: Albert TARANTOLA Rapporteurs : Frédérique FOURNIER Pierre THORE Examinateurs : Etienne ROBEIN Fabio ROCCA Directeur: Jean-Laurent MALLET Centre de Recherches Pétrographiques et Géochimiques Laboratoire d'Infographie et d'Analyse de Données Rue du Doyen Marcel Roubault - 54500 Vandœuvre Mis en page avec la classe thloria. Remerciements Merci tout d'abord à Jean-Laurent Mallet, pour avoir dirigé cette thèse et m'avoir fait tomber dans la marmite de la géomodélisation. Merci à Frédérique Fournier, de l'Institut Français du Pétrole, et à Pierre Thore, de la compagnie Total, qui ont accepté d'être rapporteurs de ce mémoire, ainsi qu'à Etienne Robein, de la compagnie Total, Fabio Rocca, professeur au Politecnico di Milano, et Al- bert Tarantola, professeur à l'Institut de Physique du Globe de Paris. Je suis très honoré de leur présence dans mon jury. Merci également à Fabien Bosquet, de la compagnie Earth Decision Sciences, dont les conseils avisés et les coups de main précieux ont transformé mon travail, et à Chris- tophe Basire, de la compagnie Statoil, pour l'intérêt qu'il a porté à ces recherches et pour les discussions qu'il a suscité. Merci aussi à tous ceux qui m'ont aidé, de près ou de loin, pendant cette thèse; notamment Christian Le Carlier, relecteur - et blagueur - infatigable, Monique Cu- gurno, toujours disponible et souriante, et les doctorants, forces vives du laboratoire, qui m'ont accompagné durant ces trois années. Je leur souhaite une bonne continuation. Merci enfin à Christine, mon épouse, pour ses conseils es ponctuation, orthographe & grammaire, et son soutien dans les moments difficiles. 11 À Christine, À mes parents et mes grand-parents. iii lV v vi Table des matières Introduction Chapitre 1 L'image sismique, source d'information géologique 1.1 De l'acquisition à l'interprétation ......... . 1.1.1 Théorie de propagation des ondes sismiques 1.1.2 Acquisition et signal sismique .. 1.1.3 Construction de l'image sismique 1.2 L'interprétation sismique ........ . 1.2.1 Interprétation structurale et stratigraphique 1.2.2 Interprétation lithologique . . . . . . . . 1.2.3 Intérêts de l'interprétation automatique . 1.3 Les outils d'analyse de l'image sismique . 1.3.1 L'analyse de Fourier ...... . 1.3.2 Les polynômes trigonométriques . 1.3.3 Les outils d'analyse d'image 1.4 Conclusion ........... . Chapitre 2 Les attributs sismiques, mise en évidence des caractéristiques du signal sismique 2.1 Introduction aux attributs sismiques 2.1.1 Définitions . 2.1.2 Historique . 2.1.3 Classification des attributs 2.2 Les attributs instantanés ..... Vll 1 5 5 5 7 10 10 10 12 13 14 14 17 25 27 29 29 29 30 30 32 Table des matières 2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.2.4 2.2.5 2.2.6 2.2.7 Notion de trace complexe Calcul de la transformée de Hilbert Calcul des dérivées . . . . . . . . . Les principaux attributs instantanés et leur application à l'interprétation sismique Les attributs de réponse . Comparaison des différentes méthodes de calcul Commentaire sur l'utilisation des attributs instantanés 2.3 Les attributs géométriques . . . 2.3.1 Les attributs de pendage 2.3.2 Les attributs de courbure 2.3.3 Les attributs de similarité 2.3.4 Optimisation des calculs . 2.3.5 Commentaire sur l'utilisation des attributs géométriques 2.4 Filtrage des signaux sismique . . . . . . . 2.4.1 Décomposition spectrale du signal . 2.4.2 Amélioration de la continuité des horizons 2.5 Visualisation des attributs . . . . . . . . . . . . . 2.5.1 Importance du choix des échelles de couleurs 2.5.2 Utilisation simultanée de plusieurs attributs 2.5.3 Les techniques d'illumination 2.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . 32 33 35 36 43 45 46 47 47 58 67 76 76 76 77 77 81 81 83 83 86 Chapitre 3 Des attributs à l'information géologique : les faciès sismiques 89 Vlll 3.1 Introduction aux faciès sismiques . . . . . . . . . . 3.1.1 Les méthodes de reconnaissance des formes . 3.1.2 Analyses supervisées et non supervisées . 3.1.3 Difficultés ................ . 3.2 Analyse non supervisée basée sur les nuées dynamiques 3.2.1 Présentation de la méthode d'analyse ..... . 89 90 91 91 93 93 3.2.2 Comparaison de la méthode avec les cartes de Kohonen . 3.2.3 Amélioration de l'interface de travail . . . . . . . . .. 3.3 Calculs de méta-attributs au moyen des cartes d'interpolation 3.3.1 Notion de méta-attribut . . . . . . 3.3.2 Principe des cartes d'interpolation . 3.3.3 Application à la détection de failles 3.3.4 Discussion 3.4 Conclusion . . . . Chapitre 4 Des attributs au modèle structural : le pointé des surfaces géologiques 4.1 Pointé automatique des horizons sismiques 4.1.1 Introduction aux méthodes de pointé des horizons 4.1.2 Pointé basé sur les polynômes trigonométriques 4.1.3 Pointé multi-attributs par recherche de motifs 4.1.4 Outils d'édition des horizons . 4.2 Pointé automatique des failles .... 4.3 4.2.1 Difficultés du pointé automatique des failles 4.2.2 Pointé automatique global à partir d'un attribut filtré . 4.2.3 Pointé semi-automatique à partir de graines ... 4.2.4 Commentaires sur le pointé automatique de failles Conclusion . Conclusion Bibliographie 98 100 100 100 101 106 108 108 111 111 112 116 120 124 128 130 130 131 133 135 139 143 lX Table des matières x Table des figures 1.1 Mouvement des particules d'un milieu élastique soumis à une onde sismique 6 1.2 Réflexion et réfraction d'une onde sismique . . . . . . . . . . . . . . 7 1.3 Principe de l'acquisition sismique réflexion et réfraction . . . . . . . 8 1.4 Relation entre signal sismique, ondelette, et coefficients de réflexion 9 1.5 Construction du cube sismique . . . . . . . . . . 11 1.6 Relations géométriques des réflecteurs sismiques 12 1. 7 Exemple de bright spots . . . . . . . . . . . . . 13 1.8 Domaines temps et fréquence d'un signal sismique 17 1.9 Corrélation de deux signaux sismiques 1.10 Interpolation d'un signal sismique par un polynôme trigonométrique 1.11 Interpolation de Shannon et polynômes trigonométriques 1.12 Recherche d'un motif sur une image sismique. 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 Classification simplifiée des attributs . . . . . Représentation graphique de la notion de trace complexe Amplitude, phase et fréquence instantanée d'un signal sismique Attributs instantanés sur une section sismique verticale . . . Étude de la fréquence instantanée . . . . . . . . . . . . . . . Détection d'un chenal au moyen de la fréquence instantanée Utilisation de la fréquence instantanée Phase et fréquence de réponse . . . . . 2.9 Polarité apparente 23 24 25 27 31 34 38 39 40 42 42 44 44 2.10 Attributs de réponse sur des sections sismiques verticales 45 2.11 Fenêtre de calcul des attributs géométriques . . . . . . . 48 2.12 Calcul du pendage et aliasing . . . . . . . . . . . . . . . 49 2.13 Calcul du pendage et de l'azimut des réflecteurs sismiques au moyen de la semblance et des attributs instantanés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 2.14 Calcul du pendage et de l'azimut des réflecteurs sismiques au moyen des polynômes trigonométriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 Xl Table des figures Xll 2.15 Relations angulaires caractérisant l'orientation d'un plan . . . . . . . . . . 54 2.16 Exemple de pendage et d'azimut sur des données sismiques 3D . . . . . . . 56 2.17 Influence de la pondération par les coefficients de corrélation lors du calcul du pendage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 2.18 Influence de l'amplitude lors du calcul du pendage . . . . . . . . . . . . uploads/Geographie/ extraction-automatique-pdf.pdf