DE3134325A1

DE3134325A1 - "vorrichtung zur seismischen untersuchung eines erdabschnittes"

Info

Publication number: DE3134325A1
Application number: DE19813134325
Authority: DE
Inventors: Harold William Duncanville Tex. Ruehle
Original assignee: Mobil Oil Corp
Current assignee: ExxonMobil Oil Corp
Priority date: 1980-09-02
Filing date: 1981-08-31
Publication date: 1982-05-06
Also published as: FR2489530B1; GB2083221A; FR2489530A1; GB2083221B; US4486865A; SG78384G; BR8105589A; CA1157139A

Description

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Mobil Oil Corporation, New York-, N.Y. (V.St.A.)

Vorrichtung zur seismischen·Untersuchung eines Erdabschnittes.

Die Erfindung bezieht sich'auf eine Vorrichtung zur seismischen Untersuchung eines Erdabschnittes, wobei eine primäre Reflektion durch eine nach oben wandernde Kompressionswelle und eine Geisterreflektion durch eine ,Verdünnungswelle erzeugt wird, welche von der Oberfläche nach unten wandert.

Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf eine seismische Untersuchung, bei welcher Oeisterreflektionen unterdrückt werden können, welche durch.nach unten wandernde Verdünnungswellen erzeugt werden.

Bei der seismischen Untersuchung auf dem Land und auf dem Meer werden Geophone bzw. Hydrophone eingesetzt, welche einen auf Druck ansprechenden Ausgang erzeugen (US-PS 3 3^6 838). .

Ein anderer Typ eines'Detektors spricht auf die Geschwindigkeit an₅ mit der Teilchen in der- Umgebung des Detektors sich bewegen (US-PS '2 982 9^2). Es ist' bekannt j drei auf die Geschwindigkeit ansprechende Detektoren in einer Hörstation anzuordnen. Ein druck-

empfindlicher Detektor ist an der gleichen Ort und Stelle angeordnet. Die Signale von diesen Detektoren zeigen die Amplitude und Richtung der akustischen Energie an, die auf die Detektoren einfällt. . Bei der seismischen Untersuchung wird Energie von unterirdischen Zwischenflächen zurückgeworfen und festgestellt bzw. aufgenommen, um Seismogramme zu erzeugen. Es ist erwünscht, lediglich primäre Reflektionen aufzuzeichnen, welche von nach oben gerichteten Kompressionswellen durch Reflektion der seismischen Energie an einer unterirdischen Zwischenfläche verursacht werden. Andere Reflektionen, beispielsweise multiple Reflektionen oder Geisterreflektionen,machen das Seismogramm unklar und unübersichtlich. Eine besonders schwierige Reflektion ist eine Geisterreflektion, die durch Zurückwerfen an einer Oberfläche erzeugt wird. Die Geisterreflektion breitet sich als eine Verdünnungswelle nach unten gerichtet aus..

Durch die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Er- · findung sollen Geisterreflektionen unterdrückt werden. Erreicht wird dies durch eine Vorrichtung gemäß den Ansprüchen, wobei Druck- und Geschwindigkeitsdetektoren in geeigneter Weise kombiniert werden, um die Geisterreflektionen auszulöschen.

Mit Hilfe der Vorrichtung gemäß der Erfindung werden Geisterreflektionen im Vergleich zu primären Reflektionen unterdrückt, wobei eine primäre Reflektion durch eine nach oben gerichtete Kompressionswelle erzeugt wird und eine Geisterreflektion durch eine Verdünnungswelle erzeugt wird, welche von der Oberfläche nach unten läuft. Gemäß der Erfindung" werden zu diesem Zweck eingesetzt:

ein Druckdetektor, welcher einen positiven Ausgang im Ansprechen an eine nach oben wandernde Kompressionswelle und einen negativen Ausgang im Ansprechen auf eine

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nach unten gerichtete Verdünnungswelle erzeugt,

ein Geschwindigkeitsdetektor, welcher einen positiven Ausgang im Ansprechen auf eine nach oben gerichtete Kompressionswelle und einen positiven Ausgang im Ansprechen auf eine nach unten gerichtete Verdünnungswelle erzeugt,

ein Filter, um den Frequenzinhalt wenigstens eines ' der Ausgänge so zu verändern, daß in den erzeugten Ausgängen die Geisterreflektion gelöscht ist, eine Addiereinrichtung _s um die Ausgänge der Druck- und Geschwindigkeitsdetektoren zu summieren, um dadurch im wesentlichen die im Ansprechen auf die Geisterreflektion erzeugten Ausgänge zu löschen,

eine Einrichtung, um die Druck- und Geschwindigkeitsdetektoren in unmittelbarer Nähe längs einer seismischen Untersuchungslinie zu positionieren.

Eine derartige Vorrichtung weist, vorzugsweise eine Einrichtung/um die Verstärkungsverhältnisse der Ausgänge so zu verändern, daß das erzielte Resultat frei von . Geisterreflektionen ist.

Bei dem erwähnten Filter handelt es sich Vorzugs- ■ weise um einanDekonvolutionsoperator, welcher die Verzerrung, welche/ciie Druck- und Geschwindigkeitsdetektoren erzeugt werden, umkehrt.

Gemäß der Erfindung wird eine Mehrzahl von Detektoren auf dem Boden eines Gewässers oder des Meeres angeordnet, wenn es sich beispielsweise um ein Untersuchungssystem für seismische Untersuchungen auf dem Meer handelt. Die Detektoren werden'paarweise zueinander angeordnet, wobei es .sich einerseits um einen Druckdetektor und andererseits um einen Geschwindigkeitsdetektor in einem jeden Paar handelt. Der Druckdetektor erzeugt einen positiven Ausgang für eine Kompressionswelle und einen negativen Ausgang für eine Verdünnungswelle. Der Geschwindigkeitsdetektor erzeugt für beide

Wellen jeweils einen positiven Ausgang. Die Ausgänge werden durch Filter invertiert, welche eine .Umkehrcharakteristik des Impulsansprechens in bezug auf die Verzerrungen in jedem Ausgang aufweisen. Die Ausgänge dieser Filter weisen positive Impulse für beide Detektoren für eine Kompressionswelle und auch einen positiven Impuls für eine nach unten sich ausbreitende Verdünnungswelle durch den Geschwindigkeitsdetektor • auf, weiterhin einen negativen Impuls für den Druckdetektor für eine nach unten wandernde Verdünnungswelle. Dieser negative Impuls löscht den positiven Impuls in der Ansprechcharakteristik des Geschwindigkeitsdetektors aus, welcher auf die Geisterreflektion zurückzuführen ist.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der Zeichnung beispielsweise erläutert.

Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung gemäß der Erfindung

für eine Untersuchung auf dem Meer. Fig.2A und 2B zeigen die Ansprechcharakteristik eines Druck- und eines Geschwindigkeits

detektors,

Fig. 3 zeigt die kombinierten Geschwindigkeitsund Druckdetektoren j Filter und die VerstärkungsVeränderungseinrichtungen.

2-5 Die Fig. Hk bis 4C zeigen das Impulsansprechver

mögen der beiden.Filter und des zusammengesetzten Ausgangs im Frequenzbereich. Die Fig. 5A bis 5C sind Zeitansprechdarstellungen zu den Fig. 4A bis 4C. In der Fig. 1 ist ein Schiff 11 gezeigt, welches seismische Impulsquellen HA bis HD längs einer Untersuchungslinie schleppt. Seismische Detektoren lA bis sind auf dem Boden des Ozeans angebracht. Energie von den Quellen HA bis HD wird in Richtung auf .den Meeresboden 12 ausgegeben und an einer unterirdischen Grenz-

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fläche 13 reflektiert. Die Detektoren 14 bis 17 stellen diese Reflektionen fest. Jeder der Detektoren weist. . einen Druckdetektor 14A bis 17A und einen Geschwindigkeitsdetektor IkB bis 17B (Fig. 3) auf. Die von der Zwischenflache 13 reflektierte seismische Energie wandert längs des Strahlenweges 18. Die aufgezeigte primäre ■Rtflektion deutet auf eine nach oben sich ausbreitende Kompressionswelle hin.

Um die Polaritätsunterschiede, in dem Seismometer-Tiefen-Effekt zu erkennen, dient die folgende Erläuterung. Ein positiver Impuls 18 wandert vertikal nach oben, von der Zwischenfläche 13 in Richtung auf einen Detektor 14, und zwar von einer Fläche unterhalb der Wasserober-. ' fläche bei einer Tiefe d. Zum Zeitpunkt t = 0 erreicht der Impuls den Detektor 14. Jedoch verläuft die Schallwelle weiter zur Wasseroberfläche, wo sie reflektiert wird und erneut zum Detektor 14 zurückkehrt, diesmal zu einem Zeitpunkt T., wobei T^ die Zeit für den doppelten Weg zum Detektor 14 und der Oberfläche ist und durch die Gleichung (1) auf der letzten Seite der Beschreibung gegeben.ist. In Gleichung (1) ist c die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Impulses im Wasser. · Die Wasseroberfläche ist eine freie Oberfläche, so daß die Grenzbedingungen erfordern, daß der Gesamtdruck Null ist. Falls die Amplitude des nach oben

■ gehenden Strahls 18 a., ist und der nach unten gehende Strahl 19 eine Amplitude ag hat, kann die Grenzbedingung durch die. auf der letzten Seite der Beschreibung angegebene Gleichung (2) wiedergegeben werden. Hieraus folgt, daß die Amplitude des nach unten sich ausbreitenden Impulses -a.. ist, und es handelt sich hierbei um die Übliche Festlegung der Polaritätsumkehr bei einer Reflektion an einer freien Fläche.

Die Ansprechcharakteristik des Druckdetektors 14A an der Tiefe d für eine nach oben gehende Welle ist daher

ein Impulspaar, und zwar ein positiver Impuls bei dem Zeitpunkt t = 0 und ein negativer Impuls zum Zeitpunkt t = XA3 ^wie dies aus Fig. 5A hervorgeht.

Das Ansprechen des Geschwindigkeitsdetektors IkB ist etwas unterschiedlich hiervon. Die Grenzbedingung an der Oberfläche ist, daß die nach oben gehende Geschwindigkeit gleich der nach unten gehenden Geschwindigkeit ist, d.h·. daß die Geschwindigkeit sich an der Fläche verdoppelt. Die nach oben gehende Geschwindigkeit wird als- ein Vektor V^ geschrieben, während die nach unten gehende. Geschwindigkeit durch, .einen Vektor v„ geschrieben werden kann. Es gilt die Gleichung (3) der letzten Seite der Beschreibung.

Das Ansprechen des Geschwindigkeitsdetektors bei einer Tiefe d ist daher ein Paar von Impulsen mit dem gleichen Vorzeichen, welche durch einen zeitlichen Abstand f, voneinander getrennt sind, wie dies aus Fig. 5B hervorgeht.

Der andere Teil des Einflusses der Wasserschicht sind. Mehrfachreflektionen und dieser Einfluß ist für beide Arten von Hydrophonen der gleiche. Das Ansprechen auf die Reflektion von der Oberfläche ist für die beiden Detektoren unterschiedlich, wie dies aus den Fig.. 2A und 2B hervorgeht. Es ist überflüssig zu bemerken, daß für das ideale Ansprechen auf Oberflächenreflektionen, falls die beiden Hydrophonausgänge aufgezeichnet, hinsichtlich ihrer Größe normiert und summiert werden, der Tiefeneinfluß der beiden Hydrophone für eine vertikale Welle sich ausgleicht.

Das Impulsansprechen, auf Wasseroberflächenreflektionen für die beiden Detektoren weist einen Frequenz- · filtereffekt auf, welcher leicht dadurch untersucht werden kann, indem eine Fourier-Transformation auf die erhaltenden Ergebnisse ausgeführt wird. Für die Gesehwin- · 'digkeits-Fourier-Transformation gilt die Gleichung (4)

und flir die Drucktrans formation die Gleichung (5) der letzten Seite der Beschreibung.

Die Phase besteht entsprechend diesen Gleichungen aus verschiedenen Anteilen. Der exponentielle Faktor e~ '* ^x~ ^ ^d ist für beide Anteile gleich und erzeugt keine Phasendifferenz zwischen den beiden transformierten Größen. Rs kann daran gedacht werden, daß eine lineare Phasenkomponente vorhanden ist, welche das Filter aus einer symmetrischen Zeiterstreckung um t = 0 in einen kausalen Filter verschiebt, mit einer Verschiebung von

X _d/2 hinsichtlich der Zeit. Die Geschwindigkeitsphasenkomponente, welche cosITfT , zugeordnet ist, ist Mull bis zum ersten Nulldurchgang des CosinusVerlaufs, sie ist dann 7Γ bis zum zweiten Nulldurchgang und dgl.,Die Drucktransformation ist rein imaginär .und hat) daher eine· 90 Phasenverschiebung. Die Komponente sinJTf T-, erzeugt ebenfalls Phasenveränderungen von ¹K bei den Nulldurchgängen. Die Amplitudenspektren für die beiden oben er- ' · haltenen Größen ergeben durch die Fourier-Transformation die in den Gleichungen (6) und (7) am Ende der Beschreibung wiedergegebenen Ausdrücke. Die entsprechenden Darstellungen sind in den Fig. 4A und 4B wiedergegeben. Aus den Amplitudenspektren ist zu.erkennen, daß das Niederfrequenzansprechen des Geschwindigkeitsde'tektors vielfach größer ist als das des Druckdetektors, so daß mehr niederfrequente Anteile von der Aufzeichnung des Geschwindigkeitsdetektors zu erwarten sind.· Es w.ird außerdem bemerkt, daß die Phasendifferenz zwischen den beiden Detektoren 90° beträgt, daß jedoch der Druckdetektor mit einer 90° Voreilung bei f = 0 beginnt und in.

eine 90 Verzögerung beim Nulldurchgang des Geschwindigkeitsdetektors umspringt. Für den interessierenden Geschwindigkeitsbereich für seismische Reflektionen erzeugt der Filtervorgang hinsichtlich der Tiefe der Detek- toren eine offensichtlich 90° Phasenverschiebung der Dateni

Der Filtereinfluß, welcher der Seismometertiefe entspricht, hat keine minimale Phase. Für beide Arten von Detektoren ist eine Null auf dem Einheitskreis in dem-Bereich der z-Transformation vorhanden. Dies erläutert, daß eine stabile inverse Größe nicht vorhanden ist. Jedoch kann sogar für idealisierte vollkommene Oberflächenreflektoren eine gute Annäherung erreicht werden, indem ein Dekonvolutionsoperatur mit der Hinzufügung einer kleinen Größe eines weißen Geräusches zur Nullverzögerung der Autokorrelationsfunkfcion vor der Berechnung des Operators stabilisiert wird. Der wirksame Reflektionskoeffizient ist an der Qherfläche darüber hinaus wahr-" scheinlich kleiner als 1 in seiner Größe, da die ■ Wasseroberfläche etwas rauh ist zufolge der Wellenbewegung. Dies bedeutet, daß der Einfluß der tatsächlichen Tiefe nicht präzis eine 90° Phasenverschiebung hat und daß dies die minimale Phase ist. Eine Minimalphasen-Dekonvolution,(Spitzendekonvolution oder Flatiron) sollte ' vernünftigerweise den Tiefeneinfluß kompensieren und-sollte daher die offenbare 90 Phasenverschiebung entfernen, während die Amplitudeneinflüsse kompensiert werden.

Wie vorangehend festgestellt, erzeugt der Druckdetektor !ΊΑ einen Ausgang, wie er in Fig. 2A wiederge- · geben ist. Der Geschwindigkeitsdetektor 14B erzeugt den in Fig. 2B wiedergegebenen Ausgang. Tm Ansprechen auf nach oben gerichtete Kompressionswellen (primäre Reflektionen) erzeugt der Druckdetektor einen positiven Ausgang 20 und der Gesclwindigkeitsdetektor einen positiven Ausgang 21. Die Kompressionswelle wird an der Oberfläche reflektiert und wandert längs des Weges 19 als eine Verdünnungswelle nach unten. Im Ansprechen auf diese Verdünnungswelle erzeugt der Druckdetektor einen negativen Ausgang 22 und der Geschwindigkeit^detektor einen

positiven Ausgang 23. -

· 9- it

OtJ 0

Λ 0

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Im Handel erhältliche Druck- und Geschwindigkeitsdetektoren sind für den Einsatz im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung zvreckmäßig. Einzelne Detektoren haben unterschiedliche Frequenz- und Amplitudenansprech-. vermögen auf festgestellte Signale. Unglücklicherweise wird in den Fig. 2A und 2B das Ansprechvermögen dieser Detektoren bei der Feststellung von primären Reflektionen und Geisterreflektionen außerordentlich stark vereinfacht, -F.s ist notwendig j die Amplituden der Ausgänge der beiden Detektoren zu filtern und zu justieren, so daß die Gei-· sterreflektionen ausgelöscht werden,

Oen^ß Fig. 3 weist der.Detektor l4 .einen Druckdetek-

,einen Geschwindigkeitsdetektor tor l«a und'liib auf, der Detektor 16 entsprechend einem Druckdetektor 16a und· einen Geschwindigkeitsdetektor Ifib,.

das entsprechende gilt für den Detektor 17.

Die Ausgänge dieser Detektoren werden an Filter 2k bis 29 angelegt. Die Filter haben Charakteristiken, so wie sie in den Fig. 4 und 5 wiedergegeben worden sind. Fig. i]A zeigt die Frequenzdarstellung des Ausgangs des · Druckdetektors,nachdem dieser durch den Filter 2^Jf beispielsweise gefiltert worden ist. Fig, ^B zeigt eine Frequenzdarstellung des Ausgangs eines Geschwindigkeitsdetektors, nachdem dieser durch das Filter 25 gefiltert . worden ist. (Jm Filter zur Ve-rfügung zu stellen, welche die in den Fig. 4A und 4B gezeigten Charakteristiken haben, ist es notwendig, das Frequenzansprechvermögen eines Detektors hinsichtlich primärer und hinsichtlich von Geisterreflektionen aus zumessen. Nachdem die Charakteristik der Detektoren gemessen worden ist, werden diese

3.0 Messungen verwendet, um einen Umkehr filter Vorgang durchzuführen, so daß die in den Fig. ^A und 4B gezeigten Charakteristiken erzeugt werden. Die US-PS 3 275 980 ■ zeigt die Art und Weise, in welcher solche Filter eingesetzt werden können. Der Zeitfiltervorgang ist insbesondere im Hinblick auf den Einsatz der Filter 2k bis

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29 zweckmäßig. In der vorgenannten Patentschrift wird außerdem beschrieben, wie die Piltercharakteristiken so eingestellt werden können, daß die Ansprechcharakteristiken der Pig. HA und ^B erzeugt werden können aus · den Meßwerten von tatsächlich eingesetzten Detektoren.

Wenn die gefilterten Ausgänge Frequenzansprechcharakteristiken -haben, wie sie in Fig. kk und ¹JB gezeigt sind, werden sie kombiniert, so daß das breite, flache Frequenzspektrum nach Fig. Ί0 erzeugt wird. Diese ■ Fig. 'IC zeigt ein erwünschtes Ansprechvermögen eines seismischen Detektors auf eine primäre Reflektion.

Die Fig. 5A und 5B sind Zeitdarstellungen der Filterausgänge. Ein Verfahren, um die erforderlichen Dekonvö— lutionsoperatoren der Filter darzustellen und diese FiI-ter einzusetzen, ist in der US-PS 3 27¹J 5^2 gezeigt. Um sicherzustellen, daß die Geisterreflektionen gelöscht werden, wird die Verstärkung von wenigstens einem der Ausgänge der beiden Ausgänge justiert. Verstärker 30 bis 35 mit veränderlichemVerstärkungsverhältnis werden für diesen Zweck eingesetzt. Die Ausgänge der Detektorpaare werden in Addierstufen 36 bis 38 addiert. Die kombinierten Ausgänge haben ein Impulsansprech verhalten,, wie es' in Fig. 5C wiedergegeben ist. Diese Ausgänge werden auf einem Aufzeichnungsmedium 39 in der üblichen Art und Weise aufgezeichnet.

■« Φ Ö

* ft β

= 2d/c

(2) a_± + a₂ = O.

{3)

= 1 + e

-irifx Trift -irife. = e (e ^d ₊ e ^d )

-TTifT,

= 2e

COSTTfT

G_h(f) = 1 - e

-2irif τ ^d

= 2ie

-irifT

= JT" (1+C0S2 TIfT₁)^i/2 = COSTIfT

G_h(f)

» JT* (l-cos2TrfT_d)^i/2 =

Claims

Patentansprüche

Vorrichtung zur seismischen Untersuchung-eines Erdabschnittes, wobei eine primäre Reflektion dur.ch eine nach oben wandernde Kompressionswelle und eine Geisterreflektion durch eine Verdünnungswelle erzeugt wird, welche von der Oberfläche nach unten wandert, bestehend aus einem Druckdetektor _s welcher ein positives Ausgangssignal auf eine nach oben wandernde Kompressionswelle und ein negatives Ausgangssignal auf eine nach unten wandernde Verdünnungswelle ansprechend erzeugt, einen Geschwindigkeitsdetektor, welcher ein positives Ausgangssignal im Ansprechen auf eine nach oben wandernde Kompressionswelle und ein positives Ausgangssignal im Ansprechen auf eine nach unten wandernde Verdünnungswelle erzeugt, einem Filter, um den Frequenzinhalt von wenigstens einem der Ausgänge so zu verändern, daß die durch die Geisterreflektion erzeugten Ausgänge gelöscht werden, einer Summiereinrichtung ₉ um die Ausgänge der Druck-

• β * τ. _ΒΑ

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und Geschwindigkeitsdetektoren so zu summieren, daß die Ausgänge im wesentlichen gelöscht werden, die auf Geisterreflektionen ansprechend erzeugt worden sind, und bestehend aus einer Einrichtung zum Positionieren der Druck- und Geschwindigkeitsdetektoren in unmittelbarer Nähe längs einer seismischen Untersuehungslinie.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Verändern der Verstärkung der Ausgänge, so daß die im Ansprechen auf Geisterreflektionen erzeugten Ausgänge gelöscht werden.

3· Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter einen Dekonvolutionsoperator aufweist, welcher das Inverse der Verzerrung durch die Geschwindigkeits- und Druckdetektoren darstellt.