DE69418453T2

DE69418453T2 - Verfahren zur bestimmung von der wasserbodenrefletivität in zweisenser-seismischen messungen

Info

Publication number: DE69418453T2
Application number: DE69418453T
Authority: DE
Inventors: Josef Paffenholz
Original assignee: Western Atlas International Inc
Current assignee: Western Atlas International Inc
Priority date: 1993-09-24
Filing date: 1994-08-24
Publication date: 1999-10-14
Anticipated expiration: 2014-08-25
Also published as: EP0680616A4; OA10160A; NO952053D0; EP0680616A1; NO308087B1; CO4290389A1; DE69418453D1; AU7604394A; US5524100A; EP0680616B1; JP2803907B2; NZ271924A; WO1995008782A1; JPH08503784A; AU671042B2; NO952053L; CA2149405C; CA2149405A1; US5396472A

Description

Die Erfindung betrifft allgemein Verfahren zum Sammeln seismischer Daten, bei dem man sowohl Druck- (Hydrophone) als auch Geschwindigkeitsdetektoren (Geophone) auf dem Meeresboden verwendet. Die Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zum Bestimmen des Reflexionsvermögens des Meeresbodens, ohne dass man eigene Bezugs- oder Kalibrierdaten sammeln muss.
Bei der seismischen Meereserkundung wird ein seismisches Erkundungsschiff mit einer Energiequelle und einem Empfänger zum Aufnehmen seismischer Profile einer unterseeischen Bodengestalt ausgerüstet. Den Vorgang des Profilaufnehmens bezeichnet man oft als "Schuss", weil man als Energiequelle über lange Jahre zumeist Explosivstoffe verwendet hat. Die Energiequelle ist dafür entworfen, Druckwellen zu erzeugen, die sich im Wasser und in den Unterwasser-Bodenformationen ausbreiten. Bei der Ausbreitung der Druckwellen durch die Bodenformationen treffen diese auf Grenzschichten zwischen den Formationen, die man üblicherweise als Strata bezeichnet, und reflektieren durch den Boden und das Wasser zurück zum Empfänger. Der Empfänger wandelt die empfangenen Wellen normalerweise in elektrische Signale um. Diese werden dann zu einem Bild verarbeitet, das Informationen über die Struktur der unterirdischen Formationen liefert.
Derzeit ist eine der am weitesten verbreiteten Energiequellen ein Luftpulser, der Luft unter sehr hohem Druck in das Wasser ausstösst. Die ausgestoßene Luft bildet einen Puls, der Frequenzen im seismischen Bereich enthält. Eine weitere häufig verwendete Energiequelle ist der Unterwasser-Schwingungserzeuger. Unterwasser-Schwingungserzeuger enthalten normalerweise einen pneumatischen oder hydraulischen Antrieb, der einen akustischen Kolben in einem Bereich ausgewählter Frequenzen in Schwingungen versetzt. Die Schwingungen des akustischen Schwingungserzeugers erzeugen Druckunterschiede im Wasser, die seismische Impulse ohne unerwünschte Blasen erzeugen.
So, wie man unterschiedliche Energiequellen zum Erzeugen seismischer Wellen für Meeresanwendungen einsetzen kann, kann man auch unterschiedliche Empfänger zum Erfassen reflektierter seismischer Wellen verwenden. Die bei Meereseinsätzen am weitesten verbreiteten Empfänger werden als Hydrophone bezeichnet. Hydrophone wandeln Druckwellen in elektrische Signale um, die man für eine analoge oder digitale Verarbeitung verwendet. Der am weitesten verbreitete Hydrophontyp enthält ein piezoelektrisches Bauteil, dass physikalische Signale, beispielsweise Druck, in elektrische Signale umwandelt. Die Hydrophone befestigt man normalerweise auf einem langen Schleppkabel, das hinter dem Erkundungsschiff in einer Tiefe von ungefähr 30 Feet (9,144 Meter) geschleppt wird.
Wahlweise kann man in selasmischen Meerestechniken unterschiedliche Empfängerarten verwenden, die unterschiedliche Merkmale der Umgebung erfassen. Beispielsweise kann man bei seismischen Aufzeichnungen mit einem Bodenkabel eine Kombination aus druckempfindlichen Umsetzern, z. B. Hydrophonen, und Teilchengeschwindigkeitsumsetzern, z. B. Geophonen, auf dem Meeresboden auslegen. Geophone verwendet man normalerweise bei Abläufen an Land, bei denen man die Geophone mit Metalldornen im Boden verankert, damit die Geophonbewegung der Bodenbewegung gut folgt. Bei Anwendungen im Meer kann man Geophone jedoch nicht wirtschaftlich verankern. Daher befestigt man zylindrische, kardanisch aufgehängte Geophone am Bodenkabel. Nach dem Aussetzen des Kabels vom seismischen Erkundungsschiff liegen die Geophone einfach dort auf dem Meeresboden, wo sie niedergehen. Der kardanische Mechanismus im Zylinderinneren stellt sicher, dass das darin montierte Geophonbauteil passend senkrecht ausgerichtet ist.
Aus der obigen Beschreibung geht klar hervor, dass man eine Anzahl seismischer Geräte und Techniken für den Versuch verwenden kann, die Unterwasser-Bodenformation exakt aufzuzeichnen. Unabhängig von der eingesetzten Technik oder Gerätekombination weist jede Vorgehensweise verglichen mit anderen Vorteile und Nachteile auf. Beispielsweise kann das Sammeln seismischer Daten mit einem geschleppten Kabel in Gebieten, in denen sich zahlreiche Hindernisse befinden, z. B. Bohr- und Förderplattformen, schwierig oder sogar unmöglich sein, da das Schleppkabel auf eines der Hindernisse treffen und sich vom schleppenden Schiff losreißen kann. Ein solches Ereignis stellt einen äußerst kostspieligen Verlust dar.
Im Gegensatz dazu treten bei seismischem Bodenkabelbetrieb derartige Schwierigkeiten nicht auf, da das Kabel in einer festen Lage auf dem Meeresboden ausgelegt wird.
Der Einsatz von Meeresbodenkabeln ist besonders wirksam, wenn man eine volle dreidimensionale Abdeckung in Bereichen erzielen will, die für einen normalen Schleppkabelbetrieb viel zu stark mit Hindernissen angefüllt sind. Normalerweise verlegt man zehn Meilen (16,09 km) Bodenkabel entlang einer Linie mit geplanten Positionen.
Die Bodenkabeltechnik erlaubt den Zugriff auf Bereiche, die dem Schleppkabelverfahren nicht zugänglich sind; es tritt jedoch eine "Geisterreflexion" (und nachfolgende Echos) an der Grenzschicht Luft-Wasser für jede Reflexionswelle auf. Die Zeitverzögerung zwischen dem Reflexionswellenanteil und der "Geisterreflexion" ist mit dem Bodenkabelverfahren größer als mit dem Schleppkabelverfahren, da die Detektoren - außer in seichtem Wasser - weiter von der Grenzschicht Luft-Wasser entfernt sind.
In der Literatur sind zum Beseitigen der "Geisterreflexion" zwei grundlegende Ansätze vorgeschlagen worden. Der erste Ansatz umfasst das Aufzeichnen von Signalen aus Detektoren in unterschiedlichen Tiefen und das Ausführen einer Wellenfeldtrennung. Siehe hierzu "Two Trace Directional Filter For Processing Offset USP's" von D. W. Beil & V. D. Cox, vorgestellt auf dem 57th Annual Meeting of the SEG, New Orleans, Louisiana (1987). Siehe hierzu auch "Marine Seismic Exploration Using Vertical Receiver Arrays: A Means For Reduction Of Weather Downtime" von M. Brink & M. Svendsen, vorgestellt auf dem 57th Annual Meeting of the SCG, New Orleans, Louisiana (1987).
Im zweiten, in der Verarbeitung direkteren Verfahren verwendet man paarweise Druck- und Geschwindigkeitsdetektoren an identischen Orten. Siehe hierzu das US-Patent 2,757,356 (Hagarty). Siehe auch "Deterministic Estimation Of A Wavelet Using Impedance Type Technique" von D. Lowenthal, S. S. Lee, & G. H. F. Gardner in Geophysical Prospectina, Volume 33 at 956-69 (1985). Siehe weiterhin "Bottom Cable Exploration ln The Gulfof Mexico: A New Approach" von T. B. Rigsby, W. J. Cafarelli & D. J. O'Neill, vorgestellt auf dem 57th Annual Meeting of the SCG, New Orleans, Louisiana (1987). Dieses zweite Verfahren zieht Nutzen aus der Tatsache, dass zwei Detektoren Signale erzeugen, die für aufwärts wandernde Wellen die gleiche Polarität haben, für abwärts wandernde Wellen (die "Geisterreflexion") jedoch unterschiedliche Polarität.
In "A Dual Sensor, Bottom Cable 3-D Survey In The Gulf of Mexico" von Barr et al., vorgestellt auf dem 60th Annual Meeting of the Society of Exploration Geophysics (1990), ist ein Zweisensor-Bodenkabelverfahren beschrieben, das die Wassersäulenechos beseitigt, die durch den gleichzeitigen Gebrauch von sowohl Druck- als auch Geschwindigkeitssensoren entstehen. Das Verfahren umfasst das gleichzeitige Datenaufzeichnen von Druck- und Geschwindigkeitssensoren an jedem Empfängerort. Im Zeitbereich ist der anfängliche Teil eines Signals, das einen gewünschten Reflexionswellenanteil enthält, in der Kurvenform und Polarität in den Druck- und Geschwindigkeitssensordaten identisch. Alle nachfolgenden Echos zeigen die gleiche Kurvenform, haben aber entgegengesetzte Polarität. Dies zeigt, dass man die beiden Signale passend skalieren und summieren kann, um die unerwünschten Echos zu beseitigen, die zu jeder Reflexion gehören. Im Frequenzbereich drückt sich dieser Zusammenhang in den komplementären Amplitudenspektren der beiden Sensoren aus. Summiert man die Signale passend, so erhält man ein glattes Amplitudenspektrum.
Damit kann man unerwünschte Echos durch das Summieren der Druckspur und der Geschwindigkeitsspur beseitigen. In "Attenuation Of Water Column Reverberations Using Pressure And Velocity Detectors In A Water-Bottom Cable" von F. Barr & J. Sanders, vorgestellt auf dem 59th Annual Meeting of the Society of exploration Geophysicists in Dallas (1989), ist beispielsweise ein Verfahren zum Verknüpfen der beiden an jeder Station aufgezeichneten Signale beschrieben. Man erhält eine virtuelle Beseitigung der Wassersäulenreflexion, die zu jedem Reflexionswellenanteil in den Daten gehört. Das von Barr & Sanders beschriebene Verfahren ist für Bodenkabeldaten vorteilhaft, die im Wasser mit beliebiger Tiefe gesammelt wurden. Das Verfahren ist jedoch auch dann gut anwendbar, wenn man in Wasser arbeitet, das tiefer als ungefähr fünfzig Feet (15,24 Meter) ist, da die Periodendauer der Wassersäulenechos die Dauer übersteigt, die mit Entfaltungsalgorithmen wirksam zu behandeln sind.
Eine passende Verknüpfung der Druck- und Geschwindigkeitssignale zum Entfernen der Energie, die in der Wasserschicht eingeschlossen ist, kann man nur nach dem Skalieren des Geophonsignals mit einem Skalierfaktor S = (1 + R) / (1 - R) ausführen, wobei R das Reflexionsvermögen des Meeresbodens ist.
Der Skalierfaktor für die Geschwindigkeitsdetektorsignale erfordert das Bestimmen des Meeresboden-Reflexionskoeffizienten R, der von der akustischen Impedanz des Bodenmaterials abhängt.
Man darf erwarten, dass sich der Skalierfaktor zwischen verschiedenen Empfängerorten ändert.
Früher hat man eine Kalibriererkundung dazu verwendet, das Reflexionsvermögen des Meeresbodens zu schätzen. Beim beschriebenen Zweisensorbetrieb bestimmt man einen Schätzwert des Reflexionsvermögens R durch das Sammeln getrennter Bezugsinformation, die man durch das Auslösen einer schwachen seismischen Quelle direkt über den Empfängern erzeugt. Das Sammeln dieser Erkundungsdaten erfordert zusätzliche Zeit und Kosten über die Datenerfassungsphase der Erkundung hinaus.
Bei einer solchen Kalibriererkundung, siehe Fig. 2, löst man eine Quelle mit geringer Energie über jedem Empfängerpaar aus. Den Skalar bestimmt man aus dem Verhältnis der Spitzenwerte der zuerst ankommenden Hydrophon- und Geophonsignale ("first breaks", erste Ankunft). Nachdem das Kabel auf dem Meeresboden 20 ausgelegt worden ist, siehe Fig. 2 (Stand der Technik), führt das Erkundungsschiff 12 wie beim Stand der Technik üblich, einen Kalibrierschussvorgang aus. Der Kalibriervorgang umfasst das Aufzeichnen der Antworten der Geophone 34 und der Hydrophone 36 auf eine sich nach unten ausbreitende seismische Welle, die die seismische Energiequelle 14 erzeugt hat. Die seismische Energiequelle 14 erzeugt eine Wellenfront 64, die eine Kurvenform w(t) hat, und die man als die Hauptwelle bezeichnet, die die seismische Energiequelle 14 erzeugt.
Während des Datenerzeugungsschusses umfasst die Quelle 14 ein Feld von Luftpulsern, die gleichzeitig ausgelöst werden. Während des Kalibrierschussvorgangs kann das Auslösen des gesamten Felds jedoch die Empfänger 18 übersteuern. Daher verwendet man während der Kalibrierung nur einen Teil des Luftpulserfelds, beispielsweise einen oder zwei Luftpulser. Fachleute wissen, dass die Anzahl der verwendeten Pulser u. a. von den Parametern Wassertiefe, Luftpulservolumen und den elektrischen Eigenschaften der Empfänger abhängt.
Bei einer herkömmlichen seismischen Quelle und seichtem Wasser können die frühen Teile der Signale manchmal eine so hohe Amplitude haben, dass sie das Aufzeichnungssystem übersteuern und die Signale abgeschnitten werden. Daher ist das Verfahren des Verwendens der ersten Ankünfte ungeeignet für Erzeugungsdaten, da der frühe Abschnitt der seismischen Spur oft für eine korrekte Aufzeichnung eine zu große Amplitude hat und statt dessen die Aufzeichnungsinstrumente übersteuert. Zusätzlich kann in einer Erzeugungseinstellung der nahe Offset, d. h. der kürzeste seitliche Abstand zwischen der seismischen Energiequelle und dem Empfänger, keine hinreichend kurze Entfernung sein, so dass die Spurdaten von der direkten Welle nicht mit gebrochener Energie durchsetzt sind. Gebrochene Energie bezeichnet eine Welle, die sich durch die Lagen unter dem Meeresgrund ausbreitet und den Empfänger erreicht, bevor die direkte Welle am Empfänger eintrifft, d. h., wenn die seismische Energiequelle seitlich gegen den Empfänger versetzt ist.
Das US-Patent 4,146,871 "Determination of Reflectivity and Water Depth for Firing Marine Sources as an Inverse Distortion Operator" offenbart ein Verfahren zum Erzeugen von Regelparametern für das Auslösen eines seismischen Quellenfelds. Dieses Verfahren erzeugt einen Dreipunkt- Echoauslöschungsoperator aus gefensterten Autokorrelierten des seismischen Signals und bestimmt Werte des Reflexionsvermögens des Meeresbodens und der Zweiweg-Laufzeit, die die Energie im Operator minimieren. Anschließend wird ein seismisches Quellenfeld ausgelöst, das diesen Dreipunktoperator erzeugt, der mit den bestimmten Werten aufgebaut wurde.
Das US-Patent 4,234,938 "Determination of Reflectivity and Water Depth for Marine Seismic Exploration" offenbart ein Verfahren zum Erzeugen von Regelparametern für das Auslösen eines seismischen Quellenfelds. Dieses Verfahren erzeugt einen Dreipunkt-Echoauslöschungsoperator aus vereinfachten, gefensterten Autokorrelierten des seismischen Signals und bestimmt Werte des Reflexionsvermögens des Meeresbodens und der Zweiweg-Laufzeit, die die Energie im Operator minimieren. Anschließend wird ein seismisches Quellenfeld ausgelöst, das diesen Dreipunktoperator erzeugt, der mit den bestimmten Werten aufgebaut wurde.
Das US-Patent 4, 486, 865 "Pressure and Velocity Detectors for Seismic Exploration" offenbart ein Verfahren zum Unterdrücken von Geisterreflexionen in einem maritimen seismischen Signal durch das Verknüpfen der Ausgangssignale der Druck- und Geschwindigkeitsdetektoren. In diesem Verfahren werden die Signale gefiltert, wobei eine vorbestimmte Menge an weißem Rauschen zur Nullverschiebung der Autokorrelationsfunktion addiert wird, und die Verstärkung von zumindest einem der Ausgangssignale vor der Verknüpfung eingestellt wird.
Das US-Patent 4,935,903 "Reinforcement of Surface Seismic Wavefields" offenbart ein Verfahren zum Verringern von kohärentem Rauschen in einem maritimen seismischen Signal. Das Verfahren unterteilt das Wellenfeld in aufwärts laufende und abwärts laufende Komponenten und richtet diese Komponenten zeitlich aus, bevor sie wieder verknüpft werden. Die Kreuzkorrelation der Druck- und Geschwindigkeitssignale kann zum Schätzen der Laufzeit größtmöglich gemacht werden.
Das US-Patent 5,163,028 "Method for Correcting Impulse Response Differences of Hydrophones and Geophones as Well as Geophone Coupling to the Water-Bottom in Dual Sensor, Bottom-Cable Seismic Operations" offenbart ein Verfahren zum Minimieren der Impulsantwort und zum Koppeln der Unterschiede zwischen maritimen seismischen Signalen aus Hydrophonen und Geophonen. In diesem Verfahren wird ein Kalibrierschussvorgang ausgeführt, und die Fouriertransformierte des Hydrophonsignals wird durch die Fouriertransformierte des Geophonsignals geteilt, um ein Übertragungsfilter aufzubauen.
Die Erfindung zielt darauf ab, eines oder mehrere der angegebenen Probleme zu lösen oder zumindest so klein wie möglich zu machen.
Daher besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, das Reflexionsvermögen des Meeresbodens aus Erzeugungsdaten abzuleiten, ohne dabei das Verhältnis der "ersten Ankünfte" zu verwenden. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Reflexionsvermögen des Meeresbodens abzuleiten, das nicht durch "abgeschnittene" erste Signale beeinträchtigt ist. Eine dritte Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren bereitzustellen, das Spurdaten verknüpft, um Teilwegechos zu beseitigen.
Gemäß einem ersten Merkmal der Erfindung wird ein Verfahren zum Bestimmen des Reflexionsvermögens eines Gewässerbodens durch seismische Erkundung mit zwei Sensoren bereitgestellt, umfassend die Schritte: Bestimmen des Wasserdrucks an einer ersten Stelle in einer Wasserschicht und Erzeugen eines mit dem Druck korrelierten Drucksignals, Erfassen der Wassergeschwindigkeit an einer Stelle im wesentlichen nahe an der ersten Stelle in der Wasserschicht und Erzeugen eines mit der erfassten Geschwindigkeit korrelierten Geschwindigkeitssignals, Verknüpfen der Druck- und Geschwindigkeitssignale zum Erzeugen eines Verbundsignals, das nur nach oben wandernde Energie enthält, Transformieren des Verbundsignals aus dem Zeitbereich in den Frequenzbereich, Erzeugen eines transformierten Signals, und Anwenden eines Optimieralgorithmus auf eine gefilterte Form des Verbundsignals, um das Gewässerboden-Reflexionsvermögen zu bestimmen,
gekennzeichnet durch die Schritte:
Auswählen eines Werts R für das Gewässerboden-Reflexionsvermögen;
Berechnen eines inversen Backus-Operators (1 + RZ)² im Frequenzbereich für den Wert R des Gewässerboden-Reflexionsvermögens, wobei Z die Z-Transformierte des Zweiweg- Ausbreitungszeit-Verzögerungsoperators in der Wasserschicht ist; und
Multiplizieren des transformierten Signals mit dem inversen Backus-Operator, um die gefilterte Form des Verbundsignals zu erzeugen.
Gemäß einem zweiten Merkmal der Erfindung wird ein Verfahren zum Beseitigen von Teilwegmultiplen erster Ordnung bei seismischen Erkundungen mit zwei Sensoren bereitgestellt, umfassend die Schritte: Erfassen des Wasserdrucks an einer ersten Stelle in einer Wasserschicht und Erzeugen eines mit dem Druck korrelierten Drucksignals, Erfassen der Wassergeschwindigkeit an einer Stelle im wesentlichen nahe an der ersten Stelle in der Wasserschicht und Erzeugen eines mit der erfassten Geschwindigkeit korrelierten Geschwindigkeitssignals, Verknüpfen der Druck- und Geschwindigkeitssignale zum Erzeugen eines Verbundsignals, das nur nach oben wandernde Energie enthält, Transformieren des Verbundsignals aus dem Zeitbereich in den Frequenzbereich, Erzeugen eines transformierten Signals, Bestimmen des Gewässerboden-Reflexionsvermögens in der Wasserschicht, gekennzeichnet durch die Schritte:
Berechnen eines inversen Backus-Operators (1 + RZ)² im Frequenzbereich, wobei R das Gewässerboden-Reflexionsvermögen ist und Z die Z-Transformierte des Zweiweg-Ausbreitungszeit- Verzögerungsoperators in der Wasserschicht ist;
Multiplizieren des transformierten Signals mit dem inversen Backus-Operator, um ein gefiltertes Signal zu erzeugen; und
Transformieren des gefilterten Signals aus dem Frequenzbereich in den Zeitbereich.
Es zeigt:
Fig. 1 die Ausrüstung, die man für eine Bodenkabelverarbeitung verwendet;
Fig. 2 das herkömmliche Kalibrierverfahren, wobei eine sich nach unten ausbreitende Druckwelle auf die Hydrophon/Geophonpaare am Meeresboden auftrifft;
Fig. 3 das in der Wasserschicht eingefangene seismische Wellenfeld beim Auftreffen auf ein Geophon/Hydrophon- Empfängerpaar;
Fig. 4 vier Beispiele von Ausbreitungswegen durch die Wasserschicht und die unterirdischen Schichten für Teilweg- Echofolgen;
Fig. 5 die Schwierigkeiten, die beim Gebrauch der ersten Ankünfte beim Erzeugungsschuss auftreten;
Fig. 6 ein Flussdiagramm der bevorzugten Umsetzung der Erfindung, in der das inverse Backusfilter verwendet wird;
Fig. 7 ein Flussdiagramm der herkömmlichen Umsetzung der Verknüpfung der Druck- und Geschwindigkeitsspuren; und
Fig. 8 ein Flussdiagramm der bevorzugten Umsetzung der Erfindung zum Verknüpfen der Druck- und Geschwindigkeitsspuren.
Es werden nun die Zeichnungen betrachtet. Zuerst wird Bezug auf Fig. 1 genommen. Sie zeigt ein bevorzugtes seismisches Erkundungssystem für das Meer, das allgemein mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet ist. Das System 10 umfasst ein seismisches Erkundungsschiff 12, das zum Schleppen einer seismischen Energiequelle 14 durch ein Gewässer 17 eingerichtet ist. Die seismische Energiequelle 14 ist eine akustische Energiequelle oder ein Feld aus solchen Quellen. Eine akustische Energiequelle, die man für den Gebrauch mit dem System 10 bevorzugt, ist ein Druckluftpulser, eine sogenannte "sleeve gun", die man von Halliburton Geophysical Services, Inc. in Houston, Texas beziehen kann. Die Quelle 14 ist gemäß dem Stand der Technik aufgebaut und wird in herkömmlicher Weise betrieben.
Das System 10 umfasst auch ein Empfangsschiff 15, das bevorzugt in dem Gewässer 17 ankert. Das Empfangsschiff 15 verlegt ein Kabel 16 auf dem Meeresboden 20 und empfängt Signale aus dem Kabel 16; dies wird im weiteren ausführlich erklärt. Ein bevorzugtes Kabel kann man bei Tescorp Seismic Products Co. in Houston, Texas kaufen. Fachleuten ist jedoch klar, dass man irgendeines aus einer großen Anzahl von Kabeln verwenden kann. Das Kabel 16 trägt mindestens einen Empfänger 18, bevorzugt jedoch eine Anzahl derartiger Einheiten.
Der Empfänger 18 enthält ein Hydrophon zum Erfassen des Wasserdrucks und ein Geophon zum Erfassen der Teilchengeschwindigkeit des Gewässerbodens. Die Hydrophone und Geophone auf dem Kabel 16 sind insbesondere in gleichen räumlichen Anordnungen angebracht, wenn sie auf dem Meeresboden 20 verlegt werden. Neben jedem einzelnen Hydrophon ist ein kardanisch aufgehängtes Geophon angeordnet. Für jede räumliche Hydrophon- und Geophonanordnung wird ein getrenntes elektrisches Signal zu einem Aufzeichnungssystem auf dem Schiff 15 gesendet. Das Erkundungsschiff 12 löst die Quelle 14 an vorbestimmten Orten aus, während die Signale von den Hydrophon- und Geophonanordnungen aufgezeichnet werden. Diese Signale bezeichnet man üblicherweise als Reflexionsdaten. Die Daten werden von einem seismischen Vielkanal-Aufzeichnungssystem aufgezeichnet, das die zeitabhängigen elektrischen Signale selektiv verstärkt, aufbereitet und auf Magnetband aufzeichnet. Vorteilhaft ist es, wenn das System die empfangenen Signale auch digitalisiert, beispielsweise mit Hilfe eines 14-Bit Analog-Digital-Umsetzers. Die Signalanalyse wird dadurch einfacher. Auf dem Schiff 15 verwendet man bevorzugt ein seismisches Aufzeichnungssystem, das man von Halliburton Geophysical Services, Inc. beziehen kann. Fachleute wissen natürlich, dass man irgendeines aus einer Anzahl seismischer Aufzeichnungssysteme verwenden kann.
Gewöhnlich bevorzugt man, das Kabel 16 und das Hydrophon/Geophonpaar 18 auf dem Meeresboden 20 auszulegen, wenn man eine dreidimensionale "Bodenkabel"-Verarbeitung ausführen will. Das normale Erzeugungsschießen erfolgt so, dass sich das Erkundungsschiff 12 bezüglich des Kabels 16 mit konstanter Geschwindigkeit entlang einer Reihe paralleler Linien oder Durchgänge bewegt. Nachdem das Erkundungsschiff 12 die Durchgänge abgeschlossen hat, nimmt das Empfangsschiff 15 oder ein anderes geeignetes Schiff das Kabel 16 wieder auf und verlegt das Kabel 16 in einer Linie neu, die vom ursprünglichen Kabelort einen Abstand hat, jedoch parallel dazu ist. Nach dem Wiederverlegen des Kabels 16 führt das Erkundungsschiff 12 einen weiteren Durchgang aus.
Während des Datensammelns bewegen sich die von der Quelle 14 erzeugten seismischen Wellen nach unten, siehe die Strahlen 22. Diese Hauptwellen werden an Grenzflächen zwischen Schichten reflektiert, beispielsweise an der Grenzfläche 28 zwischen den Schichten 24 und 26 in der unterirdischen Bodenformation 32. Die reflektierten Wellen laufen nach oben, siehe die Strahlen 30. Die Hydrophon/Geophonpaare, die jeweils einen Empfänger 18 bilden, erfassen die reflektierten Wellen. Die Empfänger 18 erzeugen elektrische Signale, die die Druck- und Teilchengeschwindigkeitsänderungeninnerhalb des Wellenfelds darstellen. Sie übertragen diese erzeugten elektrischen Signale über das Kabel 16 zurück zum Empfangsschiff 15. Die Aufzeichnungsgeräte im Schiff 15 zeichnen diese elektrischen Signale auf, so dass man sie nachfolgend verarbeiten kann, um die unterirdische Erdformation. 32 abzubilden.
Man darf nicht übersehen, dass die Empfänger 18 nicht nur die interessierenden reflektierten Wellen aufzeichnen, sondern auch die Hauptwelle und die zurückgeworfenen Wellen. Zurückgeworfene Wellen sind reflektierte Wellen, die an der Wasser-Luft-Grenzfläche an der Oberfläche des Wassers 17 reflektiert werden und im Wasser 17 nach unten laufen und auf einen der Empfänger 18 treffen. Zurückgeworfene Wellen sind durch die Strahlen 33 in Fig. 1 dargestellt. Die Auswirkungen zurückgeworfener Wellen werden im folgenden besprochen.
Das Geophon ist bevorzugt ein Modell SG-1, das man von SENSOR Nederland b. v. in Voorschoten, Holland beziehen kann. Das Hydrophon ist ein Modell MP-24, das bei OYO Geospace Corp. in Houston, Texas erhältlich ist. Das Geophon und das Hydrophon liegen auf dem Meeresboden und bilden zusammen ein Hydrophon/- Geophon-Paar. Wie bereits erwähnt bieten Erfassungstechniken mit zwei Sensoren gewisse Vorteile, da die Hydrophone Druckänderungen und die Geophone Teilchengeschwindigkeitsänderungen erfassen.
Die eindimensionale Wellengleichung für eine Druckwelle lautet:
∂²P/∂z² = 1/c² ∂²P/∂t²(1)
Die allgemeinste Lösung dafür ist:
P = P&spplus; f(z-ct) + P&supmin; f(z+ct) (2)
In den obigen Gleichungen bedeutet P den Druck, z die Tiefe, c die Wellengeschwindigkeit und t die Zeit.
Gleichung (2) stellt die Überlagerung von Wellen dar, die sich in entgegengesetzte Richtungen bewegen. Wählt man das Koordinatensystem so, dass z mit der Wassertiefe zunimmt, so bezeichnet der erste Term P&spplus;f(z-ct) eine nach unten laufende Welle U und der zweite Term P&supmin;f(z+ct) bezeichnet eine nach oben laufende Welle D. Man kann daher schreiben:
P = D + U (3)
Das Geschwindigkeitsfeld ist über das Newtonsche Gesetz mit dem Druckfeld verknüpft, wobei ρ die Dichte des Materials und V die Teilchengeschwindigkeit ist:
ρ ∂v/∂t = -∂P/∂z
Setzt man die Druckgleichung (2) in den obigen Zusammenhang ein, so erhält man die folgende Gleichung:
∂v/∂t = -1/ρ P&spplus;f'(z-ct) -1/ρP&supmin;f'(z+ct)
Die Integration nach der Zeit führt auf:
V = 1/ρc P&spplus;f(z-ct) - 1/ρcP&supmin; f(z+ct)
Ersetzt man die obigen Terme gemäß der Definition nach Gleichung (2) und ändert das Vorzeichen des Geschwindigkeitssignals gemäß dem SEG-Standard, so erhält man:
V = -1/ρc(D - U) = 1/ρc(U - D) (4)
Die Gleichungen (3) und (4) bilden das Rückgrat der Zweisensortechnologie. Es ist zudem klar, dass das Summieren von P und V die nach oben laufende Welle U liefert.
Es werden nun die Wellenfeldechos betrachtet, die in der Wasserschicht einfangen sind, siehe Fig. 3. Das in der Wasserschicht 17 mit dem Oberflächenreflexionsvermögen -1 und dem Bodenreflexionsvermögen R eingeschlossene Wellenfeld kann man wie folgt ausdrücken. Die Zweiweg-Laufzeit der Welle nur durch die Wasserschicht 17 beträgt τw Die Geophon- und Hydrophonempfänger befinden sich in einer Tiefe, in der die Zweiweg-Laufzeit vom Empfängerpaar 18 zum Gewässergrund 20 τs beträgt. Die Zweiweg-Laufzeit vom Empfängerpaar zur Wasseroberfläche beträgt τs. Die seismische Energiequelle 14 an oder nahe an der Wasseroberfläche (z = 0) löst zu einem Zeitpunkt t = -τs/2 aus. Der Puls trifft das Empfängerpaar zum ersten Mal zum Zeitpunkt t = 0. Die Zeitbereichsdarstellung des nach unten laufenden Wellenfelds 38, das in der Wasserschicht 17 eingeschlossen ist, lautet am Ort des Empfängerpaars:
D(t) = δ(t) - Rδ(t-τw) + R²δ(t-2τw) - R³δ(t-3τw) ...
Die obige Gleichung stellt die geometrische Reihe im Zeitbereich für den nach unten laufenden Abschnitt der im Wasser eingeschlossenen Echos 38 dar. Diese werden nach mehrfachen Durchläufen in der Wasserschicht 17 gedämpft. Stellt man die geometrische Reihe für die im Wasser eingeschlossenen Echos durch ihre Z-Transformierte (Z = eiωτw) dar, so kann man die Gleichung geschlossen angeben:
D(Z) = 1 - RZ + R²Z² - R³Z³ + ... = 1/1 + RZ (5)
In ähnlicher Weise gilt für die Zeitbereichsdarstellung des aufwärts laufenden Wellenfelds 39, das in der Wasserschicht 17 eingeschlossen ist, am Ort des Empfängerpaars:
U(t) = Rδ(t-τs') - R²δ(t-τs'-τw) + R³δ(t-τs'-2τw) - R&sup4;δ(t-τs'-3τw)
Die Z-Transformationsdarstellung des aufwärts laufenden Wellenfelds lautet:
U(Z) = Zτs'/τw(R-R²Z¹ + R³Z² - R&sup4;Z³ + ...) = Zτs'/τw R/1+RZ (6)
Das aufwärts laufende Wellenfeld 39 der im Wasser eingeschlossenen Echos ist im wesentlichen eine skalierte und zeitverzögerte Version des abwärts laufenden Wellenfelds 38.
Für Bodenkabelerkundungen sind die Geophone und Hydrophone auf dem Meeresboden 20 angeordnet. Man muss also die eingeschlossenen Echos für den Sonderfall betrachten, dass die Geophone und Hydrophone auf dem Meeresboden angeordnet sind; d. h., es gilt τs = τw. Die Druck- und Geschwindigkeitssignale für die im Wasser eingefangenen Echos lauten:
P(Z) = 1 + R/1 + RZ
V(Z) = -(1-R)/1 + RZ
Es müssen nun die Teilwegechos betrachtet werden. Fig. 4 zeigt vier Beispiele für verschiedene Permutationen von Teilwegechos. Im ersten Beispiel aus Fig. 4 läuft die nach unten gehende Welle 41 aus der seismischen Energiequelle 14 nach unten durch die Wasserschicht 17 und die Erdschichten 24, bis sie an einer Grenzfläche 28 reflektiert wird, die einen unterirdischen Reflektor bildet. Die nach oben laufende Welle 42 bewegt sich zurück durch die Bodenschichten 24 zum Empfängerpaar 18. Im zweiten Beispiel aus Fig. 4 reflektiert der Meeresboden 20 die durch die Wasserschicht 17 nach unten laufende Welle 43. Die nach oben laufende Welle 44 bewegt sich durch die Wasserschicht 17 zurück zur Wasseroberfläche 37. Die nach unten laufende Welle 45 durchläuft dann die Wasserschicht 17 und die Bodenschichten 24, bis sie die Grenzfläche 28 erreicht. Die nach oben gehende Welle 46 durchläuft die Erdschichten 24 bis zum Empfängerpaar 18. Die verbleibenden beiden Beispiele in Fig. 4 zeigen weitere Permutationen von Teilwegmultiplen. Man darf nicht außer acht lassen, dass viele weitere Kombinationen möglich sind.
Für die Behandlung der Teilwegmultiplen sei nun zuerst der Fall betrachtet, in dem eine aufwärts laufende Welle von der Grenzfläche 28 durch die Bodenschichten 24 läuft, den Meeresboden 20 überquert und sich in der Wasserschicht 17 ausbreitet. Der Zeitpunkt, zu dem der Puls zum ersten Mal auf das Empfängerpaar 18 trifft, sei t = 0. Die entstehende Echofolge in der Wasserschicht für die aufwärts laufende Welle U(t) lautet:
U(t) = δ(t) - Rδ(t-τw) + R²δ(t-2τw) + R³δ(t-3τw) + ...
und für die abwärts laufende Welle D(t):
D(t) = - δ(t-τs) + Rδ(t-τs-τw) - R²δ(t-τs-2τw) -R³δ(t-τs-3τw) +.
Die entsprechenden Darstellungen der aufwärts laufenden Welle U(Z) und der abwärts laufenden Welle D(Z) im Z-Bereich lauten:
U(Z) = 1 = RZ¹ + R²Z² - R³Z³ + ... = 1/1 + RZ (9)
D(Z) = Zτs/τw(1-RZ¹ + R²Z² - R³Z³ + ...) = (10)
Man betrachte nun die Energie, die den Meeresboden durchläuft und nach der einmaligen Reflexion an der Grenzfläche 28 in die Wasserschicht zurückkehrt. Will man die vollständige Echofolge erhalten, so muss man beachten, dass nach jedem Durchlauf durch die Wasserschicht 17 ein Teil der Energie in den Meeresboden 20 eindringt und an der Grenzfläche 28 reflektiert wird. Anschließend wird der Puls wieder in der Wasserschicht 17 eingefangen. Dies ist die sogenannte Teilweg- Echofolge erster Ordnung.
Es sei τe die Durchlaufzeit vom Meeresboden 20 zur unterirdischen Grenzfläche 28. Zum Zeitpunkt t = nτw + τe besteht der nach oben laufende Puls Un aus allen Komponenten, die n Durchläufe durch die Wasserschicht und einen Durchlauf vom Meeresboden 20 zur Grenzfläche hinter sich haben. Die Folge erster Ordnung ist als eine Welle definiert, die die unterirdische Grenzfläche 28 einmal erreicht hat, und zwar mit im Wasser eingefangenen Echos vorher und nachher. Die erste Komponente der nach oben laufenden Teilweg-Wellengleichung besteht aus der Energie, die nach der Grenzfläche 28 die Wasserschicht 17 n mal durchlaufen hat. Die zweite Komponente hat die Wasserschicht nach der Grenzfläche 28 n-1 mal und vor der Grenzfläche einmal durchlaufen. Die dritte Komponente hat die Wasserschicht nach der Grenzfläche 28 n-2 mal und vor der Grenzfläche zweimal durchlaufen. Das Entsprechende gilt für die vierte, fünfte, sechste Komponente usw., d. h. für alle Kombinationen in der aufwärts laufenden Teilweggleichung. Damit kann man das aufwärts laufende Wellenfeld bei der Verzögerung; Zn aus der Gleichung (9) berechnen:
U(Zn) = U(Z&sub0;)·U(Zn) + U(Z&sub1;)·U(Zn-1) + U(Z&sub2;)·U(Zn-2) +... =
U(Zm)·U(Zn-m)
In der obigen Gleichung ist m lediglich der Zähler für alle möglichen Verzögerungszeiten von null bis n. Die Gleichung für das aufwärts laufende Wellenfeld ist eine Faltung, und das aufwärts laufende Wellenfeld der Teilwegfolgen ist daher
das Produkt des Quadrats der Wasserschichtechos 1/(1 + RZ) und
des Zeitverzögerungsoperators Z :
U(Z) = 1/(1 + RZ)' 2 Z (11)
Der Zeitverzögerungsoperator synchronisiert die Teilwegfolge mit dem im Wasser eingeschlossenen Echo, das dem Zeitpunkt des Auslösens der seismischen Energiequelle entspricht.
Der nach unten laufende Teil der Teilwegfolge wird an der Wasseroberfläche 37 reflektiert und zwischen der Oberfläche 37 und den Empfängern 18 mit der Zweiweg-Laufzeit Zτs/τw verzögert, so dass man erhält:
D(Z) = -Zτs/τw/(1 + RZ)²Z (12)
Verknüpft man die Gleichungen (5) - (6) und (11) - (12), so erhält man die folgenden Gleichungen für die nach oben laufende Welle U(Z) und die nach unten laufende Welle D(Z).
In jeder Gleichung stellt der erste Term die im Wasser eingeschlossenen Echos dar und der zweite Term die Teilwegfolge.
U(Z) = Zτs'/τw R/1+RZ + (1-R²) 1/(1+RZ)² RnZτs'+τen/τw (13)
D(Z) = 1/1+RZ + (1-R²) - Zτs/τw/(1+RZ)² RnZτs'+τen/τw (14)
In den obigen Gleichungen ist der Term (1-R²) für die Amplitudendämpfung verantwortlich, die die zwei Durchgänge durch den Meeresboden 20 bewirken. Rn ist das Reflexionsvermögen der n-ten Schicht der l unterirdischen Lagen, die in Fig. 1 mit den Bezugszeichen 24, 26 usw. dargestellt sind.
Sind die Empfänger 18 auf dem Meeresboden 20 angeordnet, so gilt τs = τw und τs' = 0. Damit vereinfachen sich die Gleichungen (13) und (14) zu:
U(Z) = R/1+RZ + (1-R²) 1/(1+RZ)² RnZτen/τw (15)
D(Z) = R/1+RZ + (1-R²) 1/(1+RZ)² RnZτen/τw (16
Da die Summe der Druck- und Geschwindigkeitssignale die nach unten laufende Welle liefern, erhält man für die Druck- und Geschwindigkeitssignale:
P(Z) = R/1+RZ + (1-R²) 1/(1+RZ)² RnZτen/τw (15)
V(Z) = -(1-R)/1+RZ + (1-R²) +1+Z/(1+RZ)² RnZτen/τw (18)
Der erste Term in jeder der obigen Gleichungen beschreibt das im Wasser eingefangene Echo, und der zweite Term beschreibt Teilwegmultiple erster Ordnung. Die Terme (1-Z) und (1+Z) sind die sogenannten "Geisterantworten" für die Druck- bzw. Geschwindigkeitssignale. Der Term 1/(1+RZ)² ist das Backusfilter.
Die Summation des Drucksignals und des Geschwindigkeitssignals liefert nur die aufwärts laufende Energie (Gleichung 15) und beseitigt damit das "Geistersignal". Nach einer ausreichenden Zeitspanne klingen die im Wasser eingefangenen Echos ab, und es bleiben nur Teilwegechos übrig, die der Backus-Operator beschreibt.
Die Teilwegmultiplenfolge kann man beseitigen, indem man das aufwärts laufende Signal mit dem inversen Backus- Operator (1 + RZ)² multipliziert. Da das Multiplizieren mit dem Backus-Operator (wenn man den korrekten Wert des Reflexionsvermögens R des Meeresbodens kennt) die Teilwegmultiplen beseitigt, besitzt die entstehende Spur die kleinstmögliche Gesamtenergie. Daher kann man das Bestimmen der Spur mit der geringsten Energie dazu verwenden, den korrekten Wert R des Reflexionsvermögens des Meeresbodens zu erfassen.
Damit liefert die Erfindung ein verbessertes Verfahren zum Bestimmen des Werts R des Reflexionsvermögens des Meeresbodens mit Hilfe des inversen Backusfilters.
Zum Bestimmen der Spur mit der kleinstmöglichen Energie kann man eine Anzahl gängiger Algorithmen verwenden, beispielsweise das Levenberg-Marquardt-verfahren, das in dem Buch "Numerical Recipes" von William H. Press et al. beschrieben ist. Die bestmögliche Lösung kann man auch mit einer erschöpfenden Suche bestimmen, bei der man den Wert R für das Reflexionsvermögen des Meeresbodens variiert und die Energie in der entstehenden Spur (nach dem Multiplizieren mit dem Backus-Operator) misst. Derjenige Wert von R, der die geringste Energie ergibt, ist der korrekte Wert des Reflexionsvermögens.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann man die Optimierung dadurch ausführen, dass man ein Unterprogramm in das seismische Verarbeitungssystem TIPEX einfügt, das bei Halliburton Energy Services erhältlich ist.

SUBROUTINE BESTIMME R

FÜR ALLE SCHUSSAUFZEICHNUNGEN
FÜR ALLE SPUREN
LESE DIE P-SPUR
LESE DIE V-SPUR
LEGE EIN ZEITFENSTER ÜBER DIE SPUREN (Z. B.
800-2000 MS UNTER DER ERSTEN ANKUNFT)
SUMMIERE DIE GEFENSTERTEN SPUREN (P + V)
BERECHNE DAS SPEKTRUM S(Z) = FFT(P + V)
DO R = -0,8, 0,8, 0,05
S1 (Z) = S(Z)·(1 + RZ)²
BERECHNE DIE GESAMTENERGIE IN DER
AUSGEWÄHLTEN BANDBREITE
END DO
BERECHNE DASJENIGE R, DAS DIE GESAMTENERGIE
MINIMIERT
GEBE R UND DIE EMPFÄNGERNUMMER AUS
NÄCHSTESPUR
NÄCHSTE SCHUSSAUFZEICHNUNG
MITTLE DIE WERTE VON R FÜR JEDEN EMPFÄNGER
ENDE
Fig. 6 zeigt ein Flussdiagramm, das einen bevorzugten Weg zum Ausführen des Verfahrens darstellt, mit dem man das Reflexionsvermögen R des Meeresbodens bestimmt. Bevorzugt verwendet man einen Mainframe-Computer Modell 3090 von IBM, auf dem ein "TIPEX"-Betriebssystem läuft (im Handel erhältlich von Halliburton Geophysical Services, Inc. in Houston, Texas), zum Verarbeiten der Reflexionsdaten.
Zuerst ermittelt man in den Blöcken 94 und 96 die Geophondatenspur (V-Spur) und die Hydrophondatenspur (P-Spur).
In den Blöcken 98 und 100 wird anschließend ein Zeitfenster über die P-Spur und die V-Spur gelegt. Das Zeitfenster liegt - gemessen ab der ersten Ankunft - bevorzugt im Bereich 0,8 bis 2,5 Sekunden. Im Gegensatz dazu hat man für das Zeitfenster, das im herkömmlichen Verfahren der ersten Ankunft verwendet worden ist, abhängig von der Wassertiefe ein Zeitfenster im Bereich von 20 bis 100 Millisekunden benutzt. Im Block 102 werden die gefensterten Spuren gemäß den Gleichungen (17) und (18) summiert. Im Block 104 bestimmt man die Fouriertransformierte der Summe und transformiert damit die Summe aus dem Zeitbereich in den Frequenzbereich. Im Block 106 wählt man einen Wert für R und berechnet das inverse Backusfilter für diesen Wert. Im Block 108 multipliziert man das inverse Backusfilter mit der Fouriertransformierten der Summe der gefensterten Spuren.
Im Block 110 wird die Energie im gewählten Frequenzband berechnet. Bevorzugt liegt das Frequenzband im Bereich von 15 bis 80 Hertz. Im Block 112 wählt man denjenigen Wert von R, der die Gesamtenergie minimiert. Im Block 114 wird der Wert von R für die Empfängernummer ausgegeben. Der Programmablauf kehrt zum Lesen der Spuren für den folgenden Empfänger zurück. Nachdem die Spuren für alle Empfänger erfasst sind, mittelt man im Block 116 die R-Werte für jeden Empfänger.
Dieser Verarbeitungsablauf besitzt gegenüber anderen Verfahren einige gewichtige Vorteile.
Das in dieser Patentschrift beschriebene Verfahren ist zum Ersten vorteilhaft, da das Reflexionsvermögen des Meeresbodens für jeden Empfänger getrennt bestimmt wird und nicht durch das Umordnen von Schussaufzeichnungen aus mehreren Empfängern. Damit besteht ein Vorzug des vorgeschlagenen Verfahrens darin, dass es sich um ein einkanaliges Verfahren handelt. Damit ist kein teueres Umordnen der Schussaufzeichnungen auf gemeinsame Empfängerpunkte (CRP, CRP = Common Receiver Points) erforderlich.
Zum Zweiten arbeitet das Verfahren mit den tieferen Abschnitten der Spuren und wird damit nicht durch gebrochene Energie gestört. Fig. 5 zeigt eine gebrochene Welle 70, die die Empfänger 18 vor der direkten Welle 71 erreichen kann. Bei herkömmlichen Verfahren kann die gebrochene Welle 70 die Signale leicht stören. Im erfindungsgemäßen Verfahren verwendet man einen Abschnitt der Spur, der von tiefen Schichten reflektiert wurde, so dass ein nahezu senkrechter Einfall auf die Geophone sichergestellt ist. Damit kann man selbst stark versetzte Spuren (siehe beispielsweise Fig. 5) zum Bestimmen des Reflexionsvermögens des Meeresbodens verwenden.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung betrifft Niederfrequenzstörungen. Da das erfindungsgemäße Verfahren im Frequenzbereich arbeitet, ist es sehr einfach, niedere Frequenzen zu beseitigen, die durch Wellen gestört sind, die sich mit geringer Geschwindigkeit in der obersten Bodenschicht des Meeresbodens ausbreiten (Oberflächen-Nebenwelle).
Zum Fortführen der Verarbeitung nach dem Bestimmen des Reflexionsvermögens R des Meeresbodens musste man beim herkömmlichen Vorgehen die Geschwindigkeitsspuren mit (1+R)/(1-R) skalieren und sie zu den Druckspuren addieren. Dieses konventionelle Verfahren ist im Flussdiagramm nach Fig. 7 dargestellt. Im Block 200 wird die seismische Welle erzeugt. Im Block 201 erfasst man den Wasserdruck und die Geschwindigkeit der Welle. Im Block 202 wird das Geschwindigkeitssignal mit (1+R)/(1-R) skaliert. Im Block 203 bestimmt man das Reflexionsvermögen des Meeresbodens. Zuletzt werden die Signale im Block 204 summiert. Diese Summation beseitigt die im Wasser eingeschlossenen Echos. Zusätzlich transformiert die Summation die Teilweg-Echofolge in eine einfache skalierte Echofolge, die durch die folgende Gleichung dargestellt wird:
SUM (Z) = P(Z) + 1+R/1-R V(Z) = 2/1-R Rn(1-R²)1/1+RZZτen/τw
Eine Untersuchung dieser Gleichung zeigt, dass die im Wasser eingeschlossenen Echos vollständig beseitigt werden, und zwar einschließlich der ersten Ankunft am Meeresboden. Die Teilwegmultiplen werden jedoch nicht vollständig beseitigt, sondern in eine einfache skalierte Echofolge transformiert.
Ein Nachteil dieses herkömmlichen Verfahrens besteht darin, dass der Faktor 2/(1-R) zu einer Modulation der unterirdischen Grenzflächenfestigkeit mit dem Reflexionsvermögen des Meeresbodens führt. Dies ist unerwünscht, falls sich das Reflexionsvermögen des Meeresbodens während der Erkundung beträchtlich ändert, da es zu einer Störung der sich ergebenden Grenzflächendaten führt.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren benützt man eine Verarbeitungsfolge, die die Teilwegechos vollständig entfernen kann, indem man die summierte Spur mit dem inversen Backusfilter multipliziert:
UP1 (Z) = UP(Z) x (1 + RZ)² = (1 + R0Z) + Rn (1 - R²)Zτen/τw
Dieses Verfahren ist im Flussdiagramm nach Fig. 8 dargestellt. Im Block 300 wird die seismische Welle erzeugt. Im Block 301 wird der Wasserdruck und die Geschwindigkeit der Welle erfasst. Im Block 302 summiert man die Druck- und Geschwindigkeitssignale. Im Block 303 bestimmt man die Fouriertransformierte der Summe. Im Block 304 wird die Fouriertransformierte mit dem inversen Backusfilter (1 + RZ)² multipliziert. Im Block 305 bestimmt man das Reflexionsvermögen des Meeresbodens. Zuletzt ermittelt man im Block 306 die inverse Fouriertransformierte. Durch den Gebrauch des Backusfilters verschwindet die erste Reflexion am Meeresboden nicht. Es verbleibt ein Auftreffen nach einem Durchlauf durch die Wasserschicht, der für die ganz überwiegende Mehrheit der praktisch vorkommenden Fälle ohne Bedeutung sein sollte.
Der Vorgang des Multiplizierens der summierten Spur mit dem inversen Backusfilter wie in dieser Patentschrift beschrieben ist sehr unempfindlich gegen die Auswahl des besonderen Zeitfensters, wenn man die oberflächennahen Störungen bereits ausgeschlossen hat. Da die Verarbeitung im Frequenzbereich erfolgt, ist es sehr einfach, niederfrequente Oberflächen-Nebenwellen aus der Bestimmung des Reflexionsvermögens des Meeresbodens auszuschließen, indem man ein geeignetes Frequenzband wählt, bevorzugt im Bereich von 15 bis 80 Hertz.
Obwohl Abwandlungen in der Ausführungsform der Erfindung vielleicht nicht jeweils alle Vorteile der Erfindung umsetzen, können in verschiedenen Anwendungen der Erfindung gewisse Merkmale wichtiger werden als andere. Man sollte daher die Erfindung als nur durch den Bereich der beigefügten Ansprüche begrenzt betrachten.

Claims

1. Verfahren zum Bestimmen des Reflexionsvermögens R eines Gewässerbodens durch seismische Erkundung mit zwei Sensoren, umfassend die Schritte: Bestimmen (94) des Wasserdrucks an einer ersten Stelle in einer Wasserschicht und Erzeugen eines mit dem Druck korrelierten Drucksignals, Erfassen (96) der Wassergeschwindigkeit an einer Stelle im wesentlichen nahe an der ersten Stelle in der Wasserschicht und Erzeugen eines mit der erfassten Geschwindigkeit korrelierten Geschwindigkeitssignals, Verknüpfen (102) der Druck- und Geschwindigkeitssignale zum Erzeugen eines Verbundsignals, das nur nach oben wandernde Energie enthält, Transformieren (104) des Verbundsignals aus dem Zeitbereich in den Frequenzbereich, Erzeugen eines transformierten Signals, und Anwenden (112) eines Optimieralgorithmus auf eine gefilterte Form desVerbundsignals, um dasGewässerboden-Reflexionsvermögen zu bestimmen,

gekennzeichnet durch die Schritte:

Auswählen eines Werts R für das Gewässerboden- Reflexionsvermögen;

Berechnen (106) eines inversen Backus-Operators (1 + RZ)² im Frequenzbereich für den Wert R des Gewässerboden-Reflexionsvermögens, wobei Z die Z-Transformierte des Zweiweg-Ausbreitungszeit-Verzögerungsoperators in der Wasserschicht ist; und

Multiplizieren des transformierten Signals mit dem inversen Backus-Operator, um die gefilterte Form des Verbundsignals zu erzeugen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, zudem umfassend die Schritte: Wiederholen aller vorhergehenden Schritte für eine Anzahl Paare der Druck- und Geschwindigkeitssignale; und Mitteln (116) der bestimmten Gewässerboden-Reflexionsvermögen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Optimieralgorithmus die Schritte umfasst: Quadrieren der Amplituden des gefilterten Signals; Summieren (110) der quadrierten Signale; Erzeugen einer Energie;

Wiederholen der Auswahl-, Berechnungs-, Multiplizier- oder Faltungs-, Quadrierungs- und Summierschritte mit unterschiedlichen Werten für das Gewässerboden-Reflexionsvermögen; und Bestimmen (112) des Werts für das Gewässerboden-Reflexionsvermögen, das den kleinsten Wert für die Energie liefert.

4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei man den Schritt (112) zum Bestimmen des kleinsten Werts mit Hilfe des Lavenberg- Marquet-Verfahrens ausführt.

5. Verfahren nach Anspruch 3, wobei man den Schritt (112) zum Bestimmen des kleinsten Wert mit Hilfe einer erschöpfenden Suche ausführt.

6. Verfahren nach Anspruch 3, 4 oder 5, wobei der Summierschritt (110) in einem eingeschränkten Frequenzband erfolgt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Frequenzband im Bereich von 15 bis 80 Hertz liegt.

8. Verfahren nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, zudem umfassend die Schritte: Anwenden eines Zeitfensters auf das Drucksignal (98), Erzeugen des Drucksignals für die Verknüpfung; und

Anwenden des Zeitfensters auf das Geschwindigkeitssignal (100), Erzeugen des Geschwindigkeitssignals für die Verknüpfung.

9. Verfahren nach Anspruch 8, ferner umfassend die Schritte: Bestimmen einer Ereigniszeit für die erste Ankunft des Drucksignals; Bestimmen einer Ereigniszeit für die erste Ankunft des Geschwindigkeitssignals; und Anordnen des Zeitfensters nach den Ereigniszeiten.

10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Zeitfenster im Bereich von 0,8 bis 2,5 Sekunden nach den Ereigniszeiten liegt.

11. Verfahren zum Beseitigen von Teilwegmultiplen erster Ordnung bei seismischen Erkundungen mit zwei Sensoren, umfassend die Schritte: Erfassen des Wasserdrucks an einer ersten Stelle in einer Wasserschicht und Erzeugen (301) eines mit dem Druck korrelierten Drucksignals, Erfassen der Wassergeschwindigkeit an einer Stelle im wesentlichen nahe an der ersten Stelle in der Wasserschicht und Erzeugen (301) eines mit der erfassten Geschwindigkeit korrelierten Geschwindigkeitssignals, Verknüpfen (302) der Druck- und Geschwindigkeitssignale zum Erzeugen eines Verbundsignals, das nur nach oben wandernde Energie enthält, Transformieren des Verbundsignals aus dem Zeitbereich in den Frequenzbereich, Erzeugen (303) eines transformierten Signals, Bestimmen (305) des Gewässerboden-Reflexionsvermögens in der Wasserschicht, gekennzeichnet durch die Schritte:

Berechnen eines inversen Backus-Operators (1 + RZ)² im Frequenzbereich, wobei R das Gewässerboden-Reflexionsvermögen ist und Z die Z-Transformierte des Zweiweg-Ausbreitungszeit-Verzögerungsoperators in der Wasserschicht ist;

Multiplizieren (304) des transformierten Signals mit dem inversen Backus-Operator, um ein gefiltertes Signal zu erzeugen; und

Transformieren (306) des gefilterten Signals aus dem Frequenzbereich in den Zeitbereich.

12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Schritt (305) des Bestimmens des Gewässerboden-Reflexionsvermögens mit Hilfe des Verfahrens nach Anspruch 1 erfolgt.