DE3210581A1 - Verfahren zum seismischen abtasten eines mediums, insbesondere zum geophysikalischen prospektieren mit seismischen wellen - Google Patents

Description

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Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum seismischen Abtasten eines Mediums, insbesondere auf ein Verfahren zum geophysikalischen Prospektieren mittels seismischer Wellen.

Bei einem bekannten Verfahren wird eine Folge von Impulsen, die im wesentliche konstante Amplitude aufweisen, ausgesendet, wobei die Zeitspanne zwischen zwei aufeinanderfolgenden Impulsen kürzer ist, als die Laufzeit T für einen Impuls, der sich von der Erdoberfläche bis zur tiefsten geologischen Grenzschicht, die untersucht werden soll, und zurück zur Erdoberfläche bewegt, und wobei die Autokorrelationsfunktion die Form eines Mittelpeaks hat, der von Sekundärpeaks flankiert wird, so daß sich das größtmögliche Verhältnis von Mittelpeak zu Sekundärpeaks ergibt. Der Wert eines deratigen Verhältnisses ist sehr wichtig, weil dadurch bei diesem Verfahren die Tiefe der feststellbaren Grenzschicht begrenzt wird.

Ein Verfahren zur Erzielung eines größeren Verhältnisses zwischen der Amplitude des Mittelpeaks und derjenigen der Sekundärpeaks besteht darin, ungleiche Zeitspannen zwisehen aufeinanderfolgenden Impulsen zu benutzen'

(FR-PS 1 583 293; Figur 1). Dabei wird eine Impulsfolge mit einer Dauer von t übertragen, die größer ist als T und die als Zeitfunktion f (t) dargestellt werden kann, die zu gewissen Zeiten den Wert -1 hat und für die restliche Zeit den Wert als 0 aufweist, wobei (t. ^t.)<T ist. Werden die Zeitspannen t, , t_o, t„... t....t benutzt, finden sich die Sekundärpeaks bei Zeiten, die durch den Wert jeder der Zeitspannen, der Summe von zwei aufeinanderfolgenden Zeitspannen, der Summe von drei aufeinanderfolgenden Zeitspannen usw. gegeben sind, wobei die Amplitude des Sekundärpeaks bei jeder der Zeiten gleich der Anzahl von Zeiten der gleichen Zeitspanne ist, die in der Folge benutzt wurde, oder die Anzahl der Zeiten der Summe von aufeinanderfolgenden Zeitspannen ei— gibt den gleichen Wert (hierzu sei auf Figur 2 verwiesen, die die bekannte Autokorrelationsfunktion einer Impulsfolge, die mit einer maximalen Amplitude η übertragen wird, darstellt, falls η Impulse vorhanden sind und Senkundärmaxima zu Zeiten - t.,, - tp...- t auftreten).

Theoretisch läßt sich ein sehr hohes Verhältnis dadurch erreichen, daß man eine große Anzahl von unterschiedlichen Zeitspannen benutzt. Praktisch ergibt sich jedoch sehr schnell eine Begrenzung auf eine verringerte Anzahl möglicher Zeitspannen durch die Verwendung der

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seismischen Quelle, die Impulse in den Boden aussenden muß. Eine derartige Quelle ist so aufgebaut, daß sie mit einer gewissen Wiederholungsfrequenz arbeitet, bei der sie ihre Nennleistung abgibt. Wenn die Wiederholungsfrequenz vergrößert wird, nimmt die Amplitude der erzeugten seismischen Impulse ab, und wird die Frequenz verringert, ergibt sich ein falscher Einsatz der Quelle, und man erhält falsche seismische Ergebnisse, da während der Sendezeit weniger Energie in den Boden eingespeist wird.

Seismische Quellen sind beispielsweise eine Luftdruckpistole, bei der die Wiederholungsfrequenz von der Größe des speisenden Kompressors abhängt, oder ein hydraulischer Hammer, dessen Wiederholungsfrequenz durch die Eigenschaften der Ölpumpe gegeben ist. Dieses Verfahren,

-15 bei dem ein gelegentlicher Übergang von sehr kurzen Zeitspannen zwischen zwei Aussendungen auf eine sehr große Zeitspanne erforderlich ist, ist bezüglich des Einsatzes der seismischen Quelle nicht zufriedenstellend, da sie dazu stoßweise arbeiten muß, was wegen der unvermeidbaren Trägheit nicht zu einer vollen Wirksamkeit führt.

Wenn daher eine gegebene seismische Quelle eingesetzt wird, ist man auf eine Anzahl von Zeitspannen beschränkt, die zwischen zwei Werten t.. und t_ liegen, wobei t^ die minimale Zeitspanne und t„ die maximale Zeitspanne ist.

Die Anzahl der zur Verfügung stehenden, unterscheidbaren Werte zwischen t₁ und t~ ist endlich, da die Signale mit einer Aufnahmerate aufgezeichnet werden und da kein physikalischer Unterschied zwischen zwei Zeitintervallen mit einer Differenz geringer als der Wert der Aufnahmerate vorhanden ist. Die nachstehenden Beispiele dienen zur Erläuterung des Unterschiedes zwischen den bekannten Verfahren und dem erfindungsgemäßen Verfahren.

Es sei angenommen, daß eine seismische Quelle zur Verfügung steht, die eine Sende-Wiederholungsfrequenz hat, die für zehn unterscheidbare Werte, die durch zehn Zeitspannen t., bis t_in charakterisiert sind, zwischen aufeinanderfolgenden Aussendungen verändert werden kann. Hierbei handelt es sich um eine sehr verringerte Anzahl, die gewählt wurde, um die Erläuterungen zu vereinfachen. Das Grundprinzip bleibt jedoch gleich, selbst wenn diese Anzahl wesentlich höher wäre.

Bei bekannten Verfahren kann unter Verwendung dieser zehn Werte eine Folge von Impulsen erzeugt werden, so daß die Autokorrelationsfunktion die Form eines Mittelpeaks mit einer Amplitude 10 und Sekundärpeaks mit einer Amplitude 1 zu Zeiten t.., tp..., t_1Q und dann (t.. + t₂) usw. hat (Figur 3). Reicht die Anzahl der zehn Impulse nicht aus,

um Energie in den Boden einzuleiten, müssen unter erneuter Verwendung der gleichen Zeitspannen t₁ bis t_1Q andere Impulse ausgesendet werden. Dann vergrößert sich die Amplitude der Sekundärpeaks. Ist es beispielsweise erwünscht, 100 Impulse in den Boden einzuleiten, so erfolgt dies am besten durch zehnmaliges Anwenden der Zeitspannen für eine Amplitude des Mittelpeaks von 100 und einer Amplitude jedes Sekundärpeaks von 9 (Figur 4). Bezüglich des Verhältnisses von Mittelpeak-Amplitude zu Sekundärpeak-Amplitude ergibt sich praktisch keine Verbesserung. Dieses Verfahren ist daher infolge der Amplitude der Sekundärpeaks, das sogenannte "Korrelationsrauschen" begrenzt .

Zur Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird von den gleichen Zahlen ausgegangen, d. h. 100 Impulse werden mit zehn unterschiedlichen Zeitspannen ausgesendet, und Figuren 5 bis 9 zeigen Diagramme der verwendeten Signale und der Verarbeitungsfolge.

Bei den erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst eine Folge von zehn äquidistanten Impulsen ausgesendet, wobei die Zeitspanne zwischen den Impulsen t^ beträgt. Die von Detektoren empfangenen Signale werden für eine Zeit gleich der Zeitspanne, die den ersten Impuls vom letzten

trennt, verlängert um die Doppelweg-Laufzeit T des letzten Impulses zwischen der Erdoberfläche und der tiefsten zu untersuchenden Grenzschicht, aufgezeichnet. Die empfangenen Signale, mit der die Übertragungszeiten der zehn Impulse darstellenden Folge, werden korreliert, eine neue Folge von zehn äquidistanten Impulsen mit einer Zeitspanne von t„ ausgesandt und dann wie bei der ersten Folge verfahren. Danach erfolgt das Aussenden einer neuen Folge von zehn Impulsen mit der Zeitspanne t_Q usw. bis zum Aussenden einer Folge von zehn Impulsen mit der Zeitspanne t_1Q. Schließlich werden die Ergebnisse der zehn aufeinanderfolgenden Abläufe addiert.

Einzelheiten des vorstehend skizzierten Verfahrens werden nachstehend beschrieben/

Figur 5 zeigt eine der zehn Impulsfolgen, die als C. (t) bezeichnet sei und im Teil (a) dargestellt ist, sowie die empfangenen .Signale (Teil (b)) für eine Zeitspanne, die gleich der Dauer ausgesendeten Folge, verlängert um die vorstehend' definierte Zeit T ist. Falls jeder Impuls der Folge C^ (t) im Boden ein ausgesendetes Signal s (t) erzeugt, dessen Form sowohl von der gewählten seismischen Quelle als auch von der Art der Oberfläche des Bodens

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abhängt, kann geschlossen werden, daß das übertragene Signal durch die folgende Beziehung gegeben ist:

C₁Ct) * s(t) (D.

Wenn das durch die Oberflächendetektoren empfangene Signal bei Aussendung nur eines Impulses darüber hinaus mit R.C. log (-t) bezeichnet wird, so ist das beim Aussenden der Folge C.(t) empfangene Signal gegeben durch:
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C₁U) * s(t) * R.C.log(t) (2).

Es sei erwähnt, daß das empfangene Signal dann mit der ausgesendeten Folge, d. h. mit C. (t) korreliert ist. Das Korrelationsergebnis ergibt sich wie folgt:

AFC C.(t) * s(t) * R.C.log(t) (3),

wobei AFC C.(t) die Autokorrelationsfunktion der Folge C. (t) ist.

Figur 6 zeigt eine solche Autokorrelationsfunktion von C.

(t) (AFC) in ihrer Gesamtheit, also für eine Dauer von 9 t., sowie die Dauer der Funktion R.C.log(t), nach der gesucht wird und von der nur bekannt ist, daß die Dauer T

größer ist als t.. Der zu berücksichtigende Zeitursprung ist das Maximum der Autokorrelationsfunktion, das an die Nullzeit der Funktion R.C.log(t) angepaßt werden muß.

Figur 7 zeigt die zehn Autokorrelationsfunktionen von C.. (t) bis C₁₀ (t), die auf ihr Maximum eingestellt sind, sowie ihre Summe, die bei dem vorstehend beschriebenen neuen Verfahren erzeugt werden muß. Es sei erwähnt, daß das Endergebnis ein Mittelpeak mit einer Aplitude 100 ist, der von Sekundärpeaks mit einer Amplitude 9 flankiert wird. An dieser Stelle der Auswertung ist das Ergebnis identisch mit dem, das durch das vorbekannte Verfahren, das in Figur 4 angedeutet ist, erhalten wird.

Ein erster Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß es die seismische Quelle, die mit verschiedenen aufeinanderfolgenden, festen Wiederholfrequenzen, statt in ungeordneter Weise arbeitet, besser ausnutzt. Ein zweiter Vorteil besteht in der Möglichkeit der Dämpfung der Oberflächengeräusche, wenn mindestens zwei seismische Quellen verwendet werden.

Es sei angenommen, daß zwei synchrone Quellen S^ und S₂ eingesetzt werden, die in einem Abstand d. entlang einer Detektoren G verbindenden Linie und beide an der gleichen

Seite dieser Detektoren angeordnet sind, und es sei ferner . angenommen , daß die Übertragung von einer der Quellen zur Oberfläche des Bodens eine sich horizontal mit der Geschwindigkeit V ausbreitende Oberflächenwelle erzeugt. In Figur 8 ist eine Anordnung gezeigt, in der S. und S„ die beiden Senderquellen, V die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Oberflächenwelle, t. die Zeitspanne zwischen den Aussendungen von beiden synchronen Quellen und d. der Abstand zwischen den beiden Quellen ist, wenn sie mit einer Wiederholfrequenz t. senden.

Wenn der Abstand d. zwischen beiden Quellen so gewählt wird, daß die Zeitspanne t. der gesendeten Folge gleich d./V ist, so stellt man fest, daß die* zweite Aussendung von der Quelle S_? stattfindet, wenn die erste Aussendung von der Quelle S. die Quelle S_? durchläuft, wodurch die Welle verstärkt wird. Wird andererseits d. so gewählt, daß (k + 1) d^yv = 3 1^/2 ist, ergibt sich infolge der entgegengesetzten Phasen der Aussendung von den Quellen S₁ und Sp eine Dämpfung. Ist der Abstand zwischen den beiden Quellen für jede verwendete Zeitspanne eingestellt, entsteht die Wirkung bei jeder Sendefolge, was bei den bekannten Verfahren wegen der unterschiedlichen Zeitspannen, die bei gleichem Abstand.zwischen den Quellen verwendet werden, nicht möglich ist.

Ein dritter Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, mit einer begrenzten Anzahl von unterschiedlichen Zeitspannen ein Amplitudenverhältnis von Mittelpeak zu Korrelationsrauschen der gewünschten Höhe zu erhalten. Es ergibt sich ein wesentlicher Unterschied zwischen dem erfindungsgemäßen Verfahren und den bekannten Verfahren nach Aussendung von zehn Impulsen. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren besteht das Korrelationsrauschen aus einer gewissen Anzahl von Sekundärpeaks verhältnismäßig hoher Amplituden, die jedoch zu genau definierten Zeiten t., 2t., 3t. usw. auftreten, während bei den bekannten Verfahren die Amplituden der Sekundärpeaks auf 1 begrenzt sind, jedoch zu unterschiedlichen Zeiten t.,, t₂, t₃··· t₁₀, Ct₁ + t₂), (t₂ + t₃) usw. auftreten.

Dieser Unterschied kann dadurch ausgenutzt werden, daß man nach Aussenden jeder Folge von zehn Impulsen und der Korrelation eine Drei-Punkt-Filterung anwendet, bei der ein Peak mit der Amplitude - 1 , gefolgt von einer Peak mit der Amplitude 2 zur Zeit t. und ein Peak mit der Amplitude - 1 zur Zeit 2^ auftritt.

Figur 9 zeigt von links nach rechts die Funktion AFC C.

(t), die Drei-Punkt-Filterung der vorstehend erwähnten Art und das Filterungsergebnis. Man erkennt, daß die Amplitude der Sekundärpeaks aufgehoben ist, während die

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Amplitude des Mittelpeaks weiterhin gleich 2 ist. Theoretisch würde eine einzige Folge ausreichen, um alle Sekundärpeaks verschwinden zu lassen. In der Praxis kann die' Dämpfung jedoch weniger wirksam sein, wenn bei der Aussendung einer Folge geringe Schwankungen- in t. auftreten. Vorzugsweise wird dann der gleiche Vorgang mit mehreren t. wiederholt, die unterschiedliche Werte haben.

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Claims (4)

1. Patentansprüche

   Verfahren zum Abtasten eines Mediums durch codiertes Senden mechanischer Impulse, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Folge von NL m$chanischen Impulsen, die durch gleiche Zeitspannen tj. getrennt sind, ausgesendet und danach eine Hörzeit· vorgesehen wird, die mindestens gleich der Laufzeit ejnes der Impulse von der Erdoberfläche zur tiefsten zu " untersuchenden Schicht und zurück ist, daß die,'7,von mechanischen Sensoren empfangenen Signale mit der gesendeten Folge korreliert werden, daß eine zweite Folge von N„ mechanischen Impulsen, die durch sich von den Zeitspannen

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   der ersten Folge unterscheidende, gleiche Zeitspannen tp getrennt sind, ausgesendet und dann wie bei der ersten Folge verfahren wird, daß das Aussenden bis zu einer ausreichenden Anzahl von Folgen mit den Impulszahlen N. und unterschiedlichen Zeitspannen t. fortgesetzt wird, daß die Ergebnisse der verschiedenen Korrelationen summiert werden, wobei die Werte von N. und t. so gewählt werden, daß die Summe der Autokorrelationsfunktionen jeder gesendeten Folge die Form eines Mittelpeak mif einer Amplitude N. + N„ + N„ + ... N. hat, der von Sekundärpeaks flankiert wird, so daß das Verhältnis von Mittelpeak zu Sekundärpeaks größer ist, als das Verhältnis der Amplituden der reflektierten Signale, die in Zeitspannen, entsprechend den den Hauptpeak von jedem der Sekundäi— peaks trennenden Zeitspannen empfangen werden.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das nach Korrelation der mit jeder Folge empfangenden Signale erhaltene Ergebnis mit einem Drei-Punkt-Operator aus einem Peak mit einer Amplitude - 1, gefolgt von einem Peak mit einer Amplitude 2 zu einer Zeit gleich der Zeitspanne zwischen aufeinanderfolgenden Aussendungen und einem Peak mit der Amplitude - 1 zu einer Zeit gleich der zweifachen Zeitspanne zwischen aufeinanderfolgenden Aussendungen überlagert wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulse von mindestens zwei Quellen ausgesendet werden, deren Abstand von einer auszusendenden Folge zur anderen veränderbar ist.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Quellen für jede Folge entsprechend der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Oberflächenwellen gewählt wird.