A two-way approach to adapt small-scale laboratory experiments and corresponding numerical simulations of offshore seismic surveys - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2018

A two-way approach to adapt small-scale laboratory experiments and corresponding numerical simulations of offshore seismic surveys

Une approche conjointe pour adapter les expérimentations de laboratoire à échelle réduite aux simulations numériques correspondantes de campagnes de sismique marine

Résumé

Numerical methods are widely used in seismic exploration to simulate wave propagation and to post-process the recorded seismic data before the geologic/geophysical interpretation. The algorithms are based on various assumptions to reduce the computational cost at the expense of simplifying the models and/or the physical phenomena. Because of their essential role in exploration geophysics, the accuracy of the numerical simulations is of particular interest, especially in the case of realistic geologic setups. The direct comparison of the numerical results with each other in synthetic configurations can have limitations, as it can be difficult to determine the one that gives the best approximation of a physically unknown solution. Because in real life the subsurface is never accurately known, it is also difficult to compare the synthetic results to any seismic data set from field measurements. Therefore there is a strong interest in using laboratory measurements on physical models of known geometries to benchmark the numerical tools. Before comparing measurements and simulations with confidence at high accuracy, we first need to establish a comparative framework with a jointly-adapted approach to both the laboratory experiments and the numerical modeling. This challenging task is the goal of this thesis. Thus, the framework first reproduces offshore seismic measurements in laboratory conditions with the help of small-scale models, and then the numerical tools are adapted to the accurate synthetic reconstruction of the experiments. The framework is introduced for the Marseille-Benchie model. This model has a complex topography, yielding a wave field that is both challenging and relatively easily understandable. Prior to the finite-difference (FDM) and spectral-element (SEM) simulations, we focus on the input parameters, such as the material properties and the model geometry. The material properties are characterized in the laboratory and calibrated for the numerical simulations. The real source transducer characteristics are implemented using a new approach, consisting of the laboratory characterization of the transducer, followed by an inversion step to obtain a numerically equivalent source. The comparison of the synthetic and laboratory results reveals a good fit in terms of arrival time, phase, and amplitude, for both the SEM and the FDM, especially in zero-offset configuration. Minor amplitude mismatches (concerning mainly the offset configuration) may be attributed to the inaccuracies of the transducer positions in the laboratory combined with the strong model topography, to the noise recorded in the laboratory data, and to the uncertainties of the proposed source implementation and of the attenuation parameters. Based on the identified sources of misfits, we improve the experimental procedure before extending the framework to the complex and multi-layered WAVES model. This model represents a realistic geologic setup with a salt-dome in the middle. We use the SEM to reconstruct the 3D zero-offset and 3D offset laboratory measurements. The comparison of the synthetic results with the laboratory measurements reveals a very good fit for the arrival time, phase, and amplitude. Once again, the revealed minor amplitude mismatches may be attributed to the noise recorded in the laboratory data, as well as to the uncertainties of the proposed source implementation and of the attenuation parameters. Finally, despite the remaining uncertainties, the entire framework is successfully validated through the application of reverse-time migration (RTM) to the laboratory data sets. Indeed, the resulting RTM sensitivity kernels show an accurate and coherent reconstruction of most of the discontinuities of the WAVES model. Therefore, the proposed framework can be used with confidence to test already existing or new imaging techniques.
Les méthodes numériques sont largement utilisées en exploration sismique pour simuler la propagation des ondes et pour le post-traitement des données sismiques avant l'interprétation géologique/géophysique. Les algorithmes sont basés sur différentes hypothèses pour réduire le coût de calcul au détriment de la simplification des modèles et/ou des phénomènes physiques. En raison de leur rôle essentiel en exploration géophysique, la précision des simulations numériques présente un fort intérêt, notamment dans le cas de configurations géologiques réalistes. La comparaison directe des résultats numériques entre eux dans des configurations synthétiques peut avoir des limites, car il peut être difficile de déterminer celui qui donne la meilleure approximation de la solution physique inconnue. Comme dans la réalité le sous-sol n'est jamais connu avec précision, il est également difficile de comparer les résultats synthétiques aux données sismiques réelles acquises in situ. Par conséquent, il y a un grand intérêt à utiliser des mesures de laboratoire sur des modèles physiques aux propriétés connues pour valider la précision des outils numériques. Avant de pouvoir comparer avec précision les mesures et les simulations, nous devons tout d’abord établir un cadre comparatif avec une approche conjointe adaptée aux expériences de laboratoire et à la modélisation numérique. C’est précisément l'objectif de cette thèse. Ainsi, le cadre reproduit d'abord les mesures sismiques marines dans des conditions de laboratoire en utilisant de modèles à échelle réduite, puis les outils numériques sont adaptés à la reconstruction précise des expériences. Le cadre est introduit pour le modèle Marseille-Benchie. Ce modèle a une topographie complexe, produisant un champ d’ondes à la fois complexe et relativement facile à appréhender. Avant de simuler numériquement la propagation des ondes par méthodes de différences finies (FDM) ou d’éléments spectraux (SEM), nous nous concentrons sur les paramètres d'entrée, tels que les propriétés du matériau et la géométrie du modèle. Les propriétés du matériau sont caractérisées en laboratoire puis calibrées pour les simulations numériques. Les caractéristiques réelles du traducteur piézoélectrique source sont modélisées en utilisant une nouvelle approche qui consiste à caractériser le traducteur, puis à effectuer une étape d'inversion pour obtenir une source numériquement équivalente. La comparaison des résultats numériques et de laboratoire révèle une bonne concordance en termes de temps d’arrivée, de phase et d’amplitude, à la fois pour la SEM et la FDM. Les différences mineures observées au niveau des amplitudes peuvent être attribuées aux imprécisions des positions du traducteur combinées à la forte topographie du modèle, au bruit présent dans les données de laboratoire, aux incertitudes liées à la source numériquement équivalente et à celles liées aux mesures d'atténuation. Forts de ces constats, nous améliorons la procédure expérimentale avant d’étendre le cadre au modèle WAVES. Ce modèle représente une configuration géologique réaliste avec un dôme de sel enfoui dans des milieux sédimentaires. Nous utilisons la SEM pour reproduire les données de laboratoire 3D zero-offset et offset. La comparaison des résultats synthétiques avec les mesures révèle une très bonne concordance. Les différences mineures observées au niveau des amplitudes peuvent une fois encore être attribuées aux mêmes facteurs que dans le cas du modèle Marseille-Benchie. Enfin, malgré les incertitudes qui subsistent, l’ensemble de la procédure expérimentale est validé avec succès grâce à l’application de la reverse-time migration (RTM) aux données de laboratoire. En effet, les noyaux de sensibilité RTM résultants montrent une reconstruction précise et cohérente de la plupart des discontinuités du modèle WAVES. Par conséquent, le cadre proposé peut être utilisé pour tester des techniques d'imagerie existantes ou nouvelles.
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Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)
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Dates et versions

tel-01966711 , version 1 (29-12-2018)

Identifiants

  • HAL Id : tel-01966711 , version 1

Citer

Bence Solymosi. A two-way approach to adapt small-scale laboratory experiments and corresponding numerical simulations of offshore seismic surveys. Acoustics [physics.class-ph]. Aix-Marseille Université, Marseille, France, 2018. English. ⟨NNT : 2018AIXM0630⟩. ⟨tel-01966711⟩
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