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Inversion des formes d’ondes complètes viscoélastique.

Fabien-Ouellet, Gabriel (2017). Inversion des formes d’ondes complètes viscoélastique. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de la terre, 172 p.

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Résumé

la Terre, et ce, à une variété d’échelles. Le sismologue voulant étudier la structure du manteau terrestre, le géophysicien d’exploration cherchant un nouveau gisement, l’hydrogéologue souhaitant modéliser l’écoulement de contaminants dans un aquifère; tous ont besoin d’estimer la structure et les propriétés physiques du sol. Une des méthodes les plus avancées pour étudier l’intérieur de la sous-surface a été développée au courant des dernières décennies: l’inversion de formes d’ondes complètes. L’engouement envers cette technique provient du fait qu’elle permettrait, à terme, de reconstruire de multiples propriétés mécaniques simultanément à une résolution inégalée. Pour l’instant, l’inversion en formes d’onde complètes est utilisée surtout dans l’industrie pétrolière pour obtenir des modèles de vitesse des ondes de compression plus précis. L’inversion de multiples paramètres (propriétés des ondes de cisaillement, les facteurs d’atténuation, les coefficients d’anisotropie, etc.) reste marginale en raison de son coût élevé en calcul et des difficultés de convergence lors de l’inversion. Cette thèse porte sur le développement d’une approche d’inversion de formes d’ondes complètes prenant en compte les phénomènes élastiques et les pertes visqueuses, c’est-à-dire l’inversion viscoélastique. La base de cette approche est le calcul du gradient par la méthode adjointe. Les équations adjointes sont ainsi développées pour la formulation vitesse-contrainte de l’équation d’onde, largement utilisée pour la modélisation sismique viscoélastique. Le deuxième élément de cette approche est la résolution numérique des équations directes et adjointes à l’aide de plateformes de calcul parallèles. En utilisant les divers degrés de parallélisme accessibles sur les plateformes de calcul modernes, il est possible d’accélérer significativement les calculs de l’inversion en formes d’onde complètes. Notamment, le calcul sur des cartes graphiques avec OpenCL mène à une accélération jusqu’à deux ordres de grandeur par rapport aux calculs sur un seul coeur d’un processeur standard. Le dernier élément de cette approche est une stratégie d’inversion permettant de réduire le couplage entre différentes classes de paramètres. Le niveau de résolution atteignable lors de la reconstruction des vitesses et des facteurs de qualité des ondes S et des ondes P avec une telle stratégie est illustré par une étude de cas synthétique dans le contexte du suivi sismique de l’injection du CO₂. En sommes, les résultats présentés dans cette thèse confirment qu’il est possible d’inclure et d’inverser les propriétés viscoélastiques d’un solide grâce à l’inversion de formes d’ondes complètes, et que l’utilisation efficace du calcul parallèle permet de mitiger le coût additionnel par rapport à une inversion purement acoustique. Ces résultats entrouvrent la voie à de nouvelles applications de cette technologie, hors du contexte traditionnel de l’exploration pétrolière.

Abstract

Non-destructive imaging of the internal structure of solids is a topic of interest in Earth sciences, at a variety of scales. The seismologist might want to study the structure of the mantle, the exploration geophysicist might want to find a new oil reservoir, the hydrogeologist might want to model the migration of contaminants in an aquifer. All of them need an estimate of the structure and of the physical properties of the subsurface. One of the most powerful techniques to study the interior of the Earth has been developed in the last decades: full waveform inversion. The excitement over this method spurs from the promise of a multiparameter imaging at unprecedented spatial resolution. For the moment, full waveform inversion is mostly used in the oil and gas industry to obtain accurate P-wave velocity models. The inversion of multiple parameters, such as shear wave properties and wave attenuation, remains marginal because of the high computational cost. This thesis proposes a new approach for full waveform inversion that integrates elastic waves and viscous loss, that is, viscoelastic inversion. The first element of this approach is the computation of the misfit gradient. We obtain the adjoint equations adapted to the velocity-stress formulation of the wave equation, commonly used for seismic viscoelastic modelling. The second element of this approach is the use of the different levels of parallelism commonly found in modern computing architectures to solve the wave equation. Most notably, using graphical processing units with OpenCL leads to a speedup of nearly two orders of magnitude over single thread computing on a standard processor. The last element of this approach is an inversion strategy to reduce crosstalk between different parameter classes. The application of this strategy to a synthetic case study demonstrates the resolution that can be reached for P- and S-wave velocities and quality factors. In summary, the results presented in this thesis confirm that it is possible to include and invert for viscoelastic effects with full waveform inversion, at a reasonable cost with the aggressive use of parallel computing. This brings new applications of this technology within closer reach, outside of the traditional context of oil and gas exploration.

Type de document: Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Gloaguen, Erwan
Co-directeurs de mémoire/thèse: Giroux, Bernard
Mots-clés libres: inversion de formes d’ondes complètes; viscoélasticité; calcul parallèle; OpenCL; méthode adjointe; full waveform inversion; viscoelasticity; parallel computing; OpenCL; adjoint method
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 29 août 2017 19:31
Dernière modification: 29 août 2017 19:31
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/5251

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