Les développements récents de l'industrie pétrolière en matière d'exploration et de production, et la mise en place de techniques de séquestration souterraine du CO2, nécessitent des méthodes d'imagerie du sous-sol permettant d'obtenir une information structurale et quantitative à fine échelle. Les travaux présentés dans cette thèse s'intéressent au développement d'une telle méthode, permettant d'estimer la distribution d'impédance acoustique autour d'un puits. Elle s'inspire du problème 1D d'inversion de données sismiques de puits PSV (Profil Sismique Vertical), et en propose une extension multi-D. Cette généralisation se heurte à deux principaux problèmes. Le premier consiste en l'indétermination inhérente au problème inverse multi-D, combattue par l'introduction de termes de régularisation appropriés. Le second est l'importance des coûts de calcul nécessaires à la résolution de ce problème. Une méthode numérique adéquate est proposée, faisant intervenir une méthode d'optimisation couplant un algorithme de type Quasi-Newton et l'algorithme du gradient conjugué. De plus, un algorithme de décomposition de domaines permet le calcul distribué du gradient de la fonctionnelle par l'état adjoint. Les performances de cette nouvelle méthode d'imagerie sont évaluées dans un contexte d'implémentation 2D. D'autre part, la modélisation de la propagation des ondes acoustiques dans le sous-sol est réalisée à l'aide de couches absorbantes de type PML (Perfectly Matched Layers). Une étude mathématique de la stabilité des équations PML adaptées au contexte spécifique d'un milieu de propagation hétérogène est également menée.