Effective Seismic Modeling in 3D Earth Models
Modélisation sismique efficace dans les modèles terrestres 3D
Résumé
Although mankind prepares to get grip in outer space, the knowledge in the other direction, the inner of the earth, still remains imperfect. Geophysical methods, like gravimetrics, magnetics and seismic procedures allow nevertheless to have a look at the inner of the earth. For doing so, recording travel times and signal strength of waves of earthquakes or of artificially created waves, is an important procedure. The recorded data however don't result in readily images of the inner of the earth, but have to be processed and interpreted before. The task to get images of the subsurface from raw recorded data is called migration, or more general imaging. But one also undertakes the inverse way, which is to simulate seismic events for already given models of the subsurface. This procedure is called forward modeling. On one side it is possible to compare the simulated data with real data, and gain so information about the validity of the used model. On the other side forward modeling is also needed for certain types of migration. There are different approaches to simulate wave propagation in the earth. One of them is the tracing of rays which propagate in a medium. Like in geometrical optics these rays can be reflected and refracted. Unlike in geometrical optics however, the wave velocity can vary within the medium, not only across medium boundaries. The rays therefore are in general not straight, but curved. In seismic recordings signal strength plays, besides travel times, an important role. The theory of ray tracing is nowadays good developed, both what concerns travel time calculation and signal strength. Often however, rays are calculated only in 2D models or 3D models, but which don't allow velocity discontinuities. But just in complex structures, as in salt domes or faulted areas, one can expect to find oil. The given model builder program GOCAD allows for modeling complex geological features, including the modeling of layers, faults and even overhangs. While GOCAD allows easily to model geological objects, a ray tracing, basing on GOCAD and using GOCAD objects, was not developed until now. First it was planned to develop basic routines, which would allow other people to continue work on this topic. Later, this work was supported by an industrial sponsor (Mobil Oil), and also the development of applications was envisaged. The ray tracing development should cover: 1. the possibility to calculate travel times in models of complexity comparable to those of models in exploration and production; 2. the possibility to calculate signal strengths; 3. the possibility to calculate wave fronts; 4. the possibility to calculate travel times on regular grids in the subsurface; 5. the possibility to represent velocity on tetrahedra based models, where velocity should be smooth inside model regions, but should allow discontinuities across region boundaries; 6. these listed features should be demonstrated by producing synthetic seismograms, in common shot configurations, using sufficiently complex models; 7. efficient computation is regarded as essential.
Bien que l'humanité se prépare à s'emparer de l'espace extra-atmosphérique, la connaissance dans l'autre sens, l'intérieur de la terre, reste encore imparfaite. Les méthodes géophysiques, comme la gravimétrie, le magnétisme et les procédures sismiques permettent néanmoins d'avoir un regard sur l'intérieur de la terre. Pour ce faire, l'enregistrement des temps de parcours et de la force du signal des ondes de tremblements de terre ou des ondes créées artificiellement est une procédure importante. Les données enregistrées ne donnent cependant pas facilement des images de l'intérieur de la terre, mais doivent être traitées et interprétées au préalable. La tâche d'obtenir des images du sous-sol à partir de données brutes enregistrées est appelée migration, ou imagerie plus générale. Mais on entreprend aussi la voie inverse, qui consiste à simuler des événements sismiques pour des modèles déjà donnés du sous-sol. Cette procédure est appelée modélisation directe. D'une part, il est possible de comparer les données simulées avec des données réelles, et d'obtenir ainsi des informations sur la validité du modèle utilisé. D'un autre côté, la modélisation en aval est également nécessaire pour certains types de migration. Il existe différentes approches pour simuler la propagation des ondes dans le sol. L'une d'elles est le traçage des rayons qui se propagent dans un milieu. Comme en optique géométrique, ces rayons peuvent être réfléchis et réfractés. Cependant, contrairement à l'optique géométrique, la vitesse des ondes peut varier dans le milieu, pas seulement à travers les limites du milieu. Les rayons ne sont donc en général pas droits, mais courbes. Dans les enregistrements sismiques, la force du signal joue, outre les temps de parcours, un rôle important. La théorie du ray tracing est aujourd'hui bien développée, tant en ce qui concerne le calcul du temps de parcours que la puissance du signal. Souvent cependant, les rayons ne sont calculés que dans des modèles 2D ou 3D, mais qui ne permettent pas de discontinuités de vitesse. Mais juste dans les structures complexes, comme dans les dômes de sel ou les zones faillées, on peut s'attendre à trouver du pétrole. Le programme de construction de modèles donné GOCAD permet de modéliser des caractéristiques géologiques complexes, y compris la modélisation de couches, de failles et même de surplombs. Alors que GOCAD permet de modéliser facilement des objets géologiques, un lancer de rayons, basé sur GOCAD et utilisant des objets GOCAD, n'a pas été développé jusqu'à présent. D'abord, il était prévu de développer des routines de base, qui permettraient à d'autres personnes de continuer à travailler sur ce sujet. Plus tard, ce travail a été soutenu par un sponsor industriel (Mobil Oil), et aussi le développement d'applications a été envisagé. Le développement du ray tracing devrait couvrir : 1. la possibilité de calculer des temps de parcours dans des modèles de complexité comparable à ceux des modèles en exploration et production ; 2. la possibilité de calculer l'intensité du signal ; 3. la possibilité de calculer des fronts d'onde ; 4. la possibilité de calculer les temps de parcours sur des grilles régulières dans le sous-sol ; 5. la possibilité de représenter la vitesse sur des modèles basés sur des tétraèdres, où la vitesse devrait être lisse à l'intérieur des régions du modèle, mais devrait permettre des discontinuités à travers les frontières des régions ; 6. ces caractéristiques énumérées doivent être démontrées par la production de sismogrammes synthétiques, dans des configurations de prise de vue courantes, à l'aide de modèles suffisamment complexes ; 7. un calcul efficace est considéré comme essentiel.