NO318869B1 - Fremgangsmate for maling av bunn-reflektivitet - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte for måling av havbunnsrefleksjonskoeffisienten ut fra seismiske refleksjonsdata som er innsamlet fra rutinemessige seismiske datainnsamlingsoperasjoner ved bruk av en havbunnskabel med dobbelsensorer.

Ved seismiske undersøkelser blir et antall adskilte seismiske sensorer fordelt over et utpekt undersøkelses-område. På dypt vann kan sensorene slepes gjennom vannet i en slepekabel. På grunt vann, størrelsesorden 150 m dypt eller mindre, og i forbindelse med denne beskrivelsen, kan, som vist på fig. 1, sensorene slik som 10o, 10i, IO2..., lOi (hvor i+1 er det utlagte antall sensorer) være lagt direkte på havbunnen 12 under en vannmasse 13. Sensorene, lOi, er mekanisk og elektrisk eller optisk forbundet med hverandre ved hjelp av signalkommunikasjonskanaler i en bunnkabel 16. Kabelen og dens innbefattede kommunikasjonskanaler er videre koblet til dataregistrerings- og behandlingsutstyr som er montert om bord på et seismisk undersøkelsesskip, slik som 18, som kjent på området.

En lydkilde 20 som kan opereres fra et skyteskip 22, genererer et akustisk bølgefelt 24 i vannet ved en rekkefølge av utpekte stasjoner over undersøkelsesområdet. Kilde/stasjon-avstanden er vanligvis 25 til 50 meter, sammen-lignbart med avstanden mellom de seismiske sensorer 10 som er montert på eller i bunnkabelen 16. Bølgefeltet forplantes radialt i alle retninger for å lydbestråle de geologiske lagene under havbunnen (ikke vist på fig. 1), mens bølge-feltet blir reflektert tilbake mot havbunnen 12 hvor det detekteres av sensorene 10i. Sensorene omformer de mekaniske jordbevegelsene eller vanntrykk-variasjonene som skyldes det reflekterte seismiske bølgefelt, til amplitudemodulerte elektriske signaler. Signalene blir registrert for arkiv-lagring, og blir eventuelt delvis behandlet i data-registreringsutstyr om bord på skip etter diskretisering, idet alle slike funksjoner er velkjente på området. De registrerte seismiske data blir behandlet for å tilveiebringe en representasjon av topografien til utvalgte undergrunnslag ved bruk av en velkjent databehandlingssekvens.

Sensorer som brukes ved seismiske undersøkelser til sjøs er vanligvis trykkfølsomme hydrofoner. For visse prosjekter, spesielt de som bruker havbunnskabler, kan geofoner som reagerer på partikkelhastighet, brukes i kombinasjon med hydrofoner i form av dobbelmodus-sensorer.

For formålet med denne beskrivelse betyr uttrykket "dobbelmodus" slike sensorer som 26 og 28, fig. 2, som er av forskjellige typer, men som blir brukt i fellesskap til å registrere et felles seismisk bølgefelt. De kan enten være montert sammen i et enkelt hus, slik som 29, eller de kan være separate pakker som ligger tett ved siden av hverandre på havbunnen. I noen tilfeller kan akselerometre benyttes i stedet for eller i kombinasjon med hydrofonene. Akselerometre reagerer på endringer i partikkelhastighet som funksjon av tid.

Det vil nå bli referert til seismiske signaturer. I denne beskrivelse er en seismisk signatur definert som variasjonen i fase og amplitude, uttrykt i tidsdomenet, av signal-nivået til en størrelse som betraktes, slik som vanntrykk eller partikkelhastighet. Det ukvalifiserte uttrykket "hastighet" betyr forplantningshastigheten for et akustisk bølgefelt gjennom et medium av interesse. Uttrykket "trykksignatur" refererer til trykkvariasjonen, vanligvis i et fluid, som skyldes passeringen av en trykkbølgefront. Uttrykket "hastighetssignatur" refererer til variasjonen i partikkelhastighet i et medium på grunn av passeringen av en bølgefront. Seismiske signaturer blir fremvist i tidsskala-traser hvor traseutsvinget eller variasjonen i trasetetthet er et mål for signalamplitude.

Seismiske signaler er vanligvis forurenset av støy som kan være tilfeldig eller koherent. Støy er definert som ethvert uønsket signal slik som den tilfeldige støyen fra en 3

skipsskrue, lyd fra sjødyr, vindstøy eller bølgestøy. Tilfeldig støy av denne type kan reduseres ved hjelp av tidsmessig eller rommessig filtrering.

De akustiske bølgefelter blir ikke bare reflektert fra undersjøiske formasjonslag, men kan også reflekteres flere ganger mellom havbunnen 12 og havoverflaten 14, slik som det er vist Ved strålebane 30 i fig. 2, som er meget lik de multippelrefleksjonene som kan sees i speil på motsatte vegger i en frisørsalong. Både havbunnen og havoverflaten er effektive reflektorer med en refleksjonskoeffisient som kan nærme seg én. Refleksjoner fra vannoverflaten, også kalt spøkelsesrefleksjoner, kan ha en meget høy amplitude og befinner seg ofte i den samme del av det seismiske spektrum som ønskede primærrefleksjoner. Multippelrefleksjoner av alle slag utgjør koherent støy av en alvorlig type som ikke nødvendigvis kan dempes ved hjelp av tidsmessig eller rommessig filtrering. Multipler som stammer fra grenseflater mellom lag som befinner seg dypt, slik som 32 på fig. 3, kan komplisere saken ytterligere.

Beskrivelsen vedrører måling av havbunnsrefleksjons-koef f isienten med det formål å dempe såkalte første-ordens treben-multipler. I henhold til R. E. Sheriffs "Encyclopedic Dictionary of Exploration Geophysics", 1991-utgaven, er en treben-multippel definert som en multippelrefleksjon som medfører suksessive refleksjoner mellom forskjellige grenseflater slik at dens forplantningsbane er ikke-symmetrisk. Fig. 3 viser forskjellige eksempler på mulige multippelbaner. De første, andre og fjerde baner er representative for første-ordens treben-multipler, noe som medfører overflate-refleksjoner (spøkelsesrefleksjoner), og som kan behandles ved hjelp av fremgangsmåtene ifølge foreliggende oppfinnelse. Den tredje bane representerer en multippel mellom sediment-lag. Den fjerde bane illustrerer også virkningen av etterklang, hvor bølgefeltet innledningsvis blir fanget i vannlaget.

Multippelrefleksjoner omfatter et koherent støyfelt som på én eller annen måte må fjernes fra seismiske data. Multippel-forurensning er mest brysom i nærvær av relativt flattliggende geologiske lag. Multipler kan ikke eksistere hvis lagflatene til de respektive sedimentære lag oppviser betydelig fall av størrelsesorden 15° til 20° eller mer.

US-patent nr. 5,365,492 utgitt 15. november 1994 til William H. Dragoset og overdratt til foreliggende søker, beskriver en fremgangsmåte for kansellering av spøkelses-ref leksjoner. I den fremgangsmåten blir en geofon og en hydrofon samlokalisert for å se både trykksignatur- og hastighetssignatur-karakteristikken til en spesiell seismisk transient. Trykksignaturen blir adaptivt filtrert og subtra-hert fra hastighetssignaturen for å isolere en nesten ren støysignatur. Støysignaturen blir addert tilbake til hastighetssignaturen med motsatt fortegn for å fjerne den innbakte tilfeldige støy, noe som etterlater en forfinet hastighets-struktur. Den forfinede hastighetssignatur blir skalert og summert med trykksignaturen fra hydrofonen for å kansellere den koherente støy fra spøkelsesrefleksjonen. Skalerings-trinnet krever nøyaktig kunnskap om vannbunnsreflektiviteten, en størrelse som bare blir anslått i vedkommende referanse.

En lignende fremgangsmåte er beskrevet av W. H. Rhuele i US-patent nr. 4,486,865, som reduserer spøkelseseffekten ved å bruke dobbelmodus-sensorer. Utgangen fra én av paret med sensorer blir forsterkningsgrad-justert og filtrert ved hjelp av en dekonvolveringsoperator som har en forutbestemt mengde med hvit støy tilføyd null-etterslepet av autokorrelasjons-funksjonen. Det dekonvolverte, forsterkningsgrad-regulerte signal blir addert til signalutgangen fra den annen sensor for å kansellere spøkelsesrefleksjonene.

US-patent nr. 5,396,472 utgitt 7. mars 1995 til Josef Paffenholz og overdratt til foreliggende patentsøker, beskriver en dobbelsensor-metode for å bestemme vannbunnens refleksjonskoeffisient for bruk til reduksjon av seismisk signalforurensning fra første-ordens treben-multipler. Fremgangsmåten medfører summering av trykk- og hastighets<1 >signalene for å bestemme bare oppadgående energi. Den oppadgående energi blir transformert til frekvensdomenet og multiplisert med en invers Backus-operator (1+RZ)<2>. For en valgt frekvens blir den totale energi minimalisert for inkrementale verdier av vannbunnens refleksjonskoeffisient, R, ved bruk av en iterativ optimaliserende datarutine under antagelse av en vanndybde Z.

US-patent nr. 5,524,100 utgitt 4. juni 1996 til Josef Paffenholz og overdratt til foreliggende patentsøker, beskriver en dobbelsensor-metode for fremskaffelse av vannbunnens reflektivitet ved seismiske undersøkelser. Seismiske trykk- og hastighetssignaler blir summert. Så blir det summerte signalet transformert til frekvensdomenet og multiplisert med en invers Backus-operator, eller det summerte signalet blir konvolvert med den inverse Backus-operator, og en optimaliseringsalgoritme anvendes for å løse vannbunnens - reflektivitet. De seismiske trykk- og hastighetssignalene blir summert, og det summerte signalet blir multiplisert med den inverse Backus-operator, omfattende vannbunnens - reflektivitet, for å eliminere første-ordens treben-multipler.

Det er en hensikt med foreliggende beskrivelse å tilveiebringe en hensiktsmessig fremgangsmåte for å bestemme vannbunnens refleksjonskoeffisient og vanndybden ved å bruke de data som er utledet fra dobbelsensorer.

Dette er en fremgangsmåte for å måle refleksjonskoeffisienten, Rb, for et geologisk lag som definerer bunnen av et vannlag. Fremgangsmåten bruker rutinemessige seismiske data fra hver av et antall seismiske sensorstasjoner. Hver sensorstasjon er utstyrt med en seismisk dobbelmodus-sensor for å detektere sted- og trykksignaturer som blir formatert i tid/rom-domenet. Hastighets- og trykksignaturene blir oppløst i oppadgående og nedadgående bølgetog. De oppadgående og nedadgående bølgetog blir transformert til frekvens/bølge-tall-domenet og iterativt krysskorrelert. Den tidsforsinkelse som maksimaliserer krysskorrelasjonsfunksjonen blir valgt som den toveis bølgefelt-forplantningstid gjennom vannlaget, og blir innført som en komponent av Z„-argumentet til en Backus-operator (l+RbZw)<2.> Rb-komponenten blir initialisert med en verdi omfattet av ulikheten -KRb<+l. Den initialiserte Backus-operator blir multiplisert med de respektive oppadgående og nedadgående transformasjoner, hvoretter produktene blir iterativt krysskorrelert, ved diskret forstyrrelse av Rb etter hver iterasjon. Den endelige verdi for Rb, ved konvergens til et minimum, er refleksjonskoeffisienten ved den valgte sensorstasjon.

De nye trekk som antas å være karakteristiske for oppfinnelsen, både når det gjelder organisering og virkemåte, sammen med formålene og fordelene ved denne, vil bli bedre forstått av den følgende detaljerte beskrivelse og tegnin-gene, hvor oppfinnelsen er illustrert ved hjelp av et eksempel. Fig. 1 er en skjematisk skisse over den måte havbunns kabler og dobbelmodus-sensorer er utlagt på; Fig. 2 viser banene for en spøkelsesrefleksjon med hensyn

til en dobbelmodus-sensor; og

Fig. 3 illustrerer flere forskjellige første-ordens treben-multippelbaner. Fig. 1-3 ble diskutert foran, men i det følgende vil det også innimellom bli referert til disse.

Teorien for multippelrefleksjoner og forskjellige frem-gangsmåter for å dempe slike, er grundig diskutert i '472-patentet. Det ble vist i dette patentet at første-ordens treben-multipler med hell kan elimineres ved anvendelse av den inverse Backus-operator på frekvensdomenet-summet av hastighet- og trykksignaturene V og P, henholdsvis i samsvar med trinnene:

SUM = V + P,

S{Z) = FFT (SUM),

S1(Z) = S(Z) x (l+RbZw)<2.>

Rb blir initialisert til en viss verdi mellom -0,8 og +0,8.

Zw blir initialisert ved innføring av vannlag-tykkelsen, en størrelse som oppnås på en uavhengig måte. Den totale effekten til størrelsen S1(Z) over en valgt båndbredde blir så iterativt beregnet, ved diskret å perturbere Rb etter hver iterasjon. Verdien av Rb ved minimumeffekt er den lokale vannbunnsrefleksjonskoeffisient. En ulempe ved denne fremgangsmåten er behovet for å skaffe vanndybden fra en uavhengig kilde. Samtidig er beregningene ikke særlig effektive.

I US-patentsøknad 08/651.994 som denne søknad er en delvis fortsettelse av, ble det vist at vanndybden kan ut-ledes ved å løse hastighets- og trykksignaturene (V og P) mottatt ved hjelp av en dobbelmodus-sensor ved å summere V og P for å isolere det oppadgående signal U=(V+P), og differen-siering av V og P for å ta ut det nedadgående signal D={V-P). U og D blir transformert fra t/x-domenet til f/k-domenet for å tilveiebringe de komplekse amplitudespektre, henholdsvis UP(Z) og DN(Z). En tidsforsinkelsesoperator t blir anvendt på UP(Z), som så krysskorreleres med DN(Z), ved diskret å perturbere t etter hver iterasjon. Den forsinkelsestid i som maksimaliserer krysskorrelasjonsfunksjonen, er den toveis forplantningstid i vannlaget. Z-transformasjonen av t, Zw=e"<iWT >kan nå innføres i den inverse Backus-operatør (l+RbZw)<2.>

Denne fremgangsmåte til måling av vanndybden for bruk med den inverse Backus-operator, avhenger av mottagelse av spøkelsesrefleksjonen, som vist ved strålebanene på fig. 2, og av kjennskap til vannoverflatens refleksjonskoeffisient, som er nær én, og som innenfor det samme omgivelsesmessige området hovedsakelig er en konstant. En av de to Backus-variable kan således evalueres fra selve den seismiske data-innsamling uten å ty til uavhengige målinger som kommer fra andre kilder.

Som det ble vist i '994-patentsøknaden, isolerer summering av trykk- og hastighetssignaturene bare den oppadgående energi og eliminerer således mottager-spøkelses-multiplen. Ved tilstrekkelig store forplantningstider kan det vises at den vanninnfangede etterklang har dødd hen slik at bare treben-etterklangene som er beskrevet ved hjelp av Backus-operatoren Bop=l/(l+RbZw)<2> blir igjen. Treben-sekvensen kan elimineres hvis den oppadgående signatur blir multiplisert med en invers Backus-operator (l+RbZw)<2.> I '472-patentet var kriteriet for å finne den korrekte verdi av Rb, den andre variable i Backus-operatoren, å minimalisere den totale effekt i den oppadgående signatur etter multiplikasjon med den inverse Backus-operator. Fastsettelse av konvergens-grensen for minimal effekt er basert på den premiss at bidraget fra multippelrefleksjonene til den totale spektral-effekt er omvendt proporsjonal med multippeldempning ved hjelp av Backus-operatoren. Foreliggende oppfinnelse tilbyr en enklere, mer direkte løsning for evaluering av Rb.

Man vil huske at Z-transformasjonen av den toveis forplantningstid i vannlaget, Zw, ble bestemt ved hjelp av de oppadgående og nedadgående komplekse amplitudespektre UP(Z) og DN(Z). Det kan vises at de første-ordens treben-multipler, hvis den korrekte verdi for Rb er gitt og man kjenner Zw som bestemt tidligere, blir eliminert i både de oppadgående og nedadgående bølgefelter. Dette kan sees ved et minimum i null-forsinkelses-krysskorrelasjonen mellom den oppadgående og nedadgående energi etter multiplisering av de respektive størrelser US(Z) og DN(Z) med den inverse Backus-operator, (l+RbZw)<2>.

Foreliggende oppfinnelse tilbyr således en enklere prosess for å evaluere de variable i Backus-operatoren, nemlig vannbunnens refleksjonskoeffisient, Rb og Z-transformasjonen ZM for den toveis vannlag-forplantningstid, t, kun fra rutinemessig innsamlede seismiske data ved bruk av seismiske dobbelmodus-sensorer.

Den beste virkemåte kan best forklares ved hjelp av datamaskin-subrutineprogrammet: BEREGNING AV REFLEKSJONSKOEFFISIENT FOR ALLE SKUDD-REGISTRERINGER

FOR ALLE TRASER

LES P-SIGNATUR I TIDSVINDUET 0,8<t<2,0 SEKUNDER LES V-SIGNATUR I TIDSVINDUET 0,8<t<2,0 SEKUNDER

UP = (V+P)

DN = (V-P)

UP(Z) = FT (UP) (FOURIER-TRANSFORMASJON)

DN(Z) = FT (DN) (FOURIER-TRANSFORMASJON)

GJØR i = -oo, 0,0, 0,10 (MS)

W = S [UP(Z)T-i] x [DN(Z)T] {KRYSSKORRELER TRANSFORMASJONER)

SLUTT GJØR

VELG VERDI FOR x SOM MAKSIMALISERER tyrnx

FINN MIDDELVERDIER AV t FOR HVER MOTTAGER; FREMVIS MIDDELVERDI.

Z„ e-<iMT>

Rb = r (INITIALISER Rb)

GJØR r = -1, +1, 0,05

UP1(Z„) = UP(Z„) x (l+RbZH)<2>

DNl(Zw) = DN(Zw) X (l+RbZw)<2>

Vu = S [UP1(Z„)T] x [DN1(Z„)T]

VELG VERDI FOR Rb SOM MINIMALISERER NULLFORSINK-ELSES-KRYSSKORRELASJONSFUNKSJONEN i|r

SLUTT GJØR

FREMVIS Rb

NESTE TRASE

NESTE SKUDDREGISTRERING

FINN Rb-MIDDELVERDIER FOR HVER MOTTAGER

SLUTT.

Oppfinnelsen er beskrevet med en viss grad av spesifika-sjon ved hjelp av et eksempel, men ikke som noen begrensning. F.eks. kan dobbelmodus-sensorene være opphengt fra bøyer, og dataene kan overføres over eter-kommunikasjonskanaler i stedet for over ledninger.

Claims (4)

1. Fremgangsmåte for å måle refleksjonskoeffisienten, Rb, til et geologisk lag som definerer bunnen av et vannlag, fra observasjoner gjort ved et antall seismiske sensorstasjoner, av seismiske bølgefelt som forplanter seg inne i vannlaget og som reflekteres fra de geologiske lagene under dette, hvilken fremgangsmåte omfatter følgende trinn: a) å detektere ved en valgt dobbelmodus-sensorstasjon, hastighetssignaturen, V, og trykksignaturen, P, til et reflektert seismisk bølgefelt og formatere dette som seismiske tidsskala-traser, og b) å løse trykk- og hastighetssignaturene opp i oppadgående og nedadgående bølgetog, henholdsvis U og D, videre karakterisert ved ytterligere trinn: c) å transformere U og D fra tidsdomenet til frekvensdomenet for å tilveiebringe respektive komplekse amplitudespektre UP(Z) og DN(Z) utledet fra oppløsning av hastighets-og trykksignaturene, d) iterativt å krysskorrelere UP(Z)-spekteret med DN(Z}-spekteret og velge som en forsinkelsestid-operator, Zw, den forsinkelsestid som maksimaliserer krysskorrelasjonsfunksjonen, e) å innføre forsinkelsestid-operatoren Zw i en Backus-operator, (l+RbZw)<2>, f) å danne produktene UP1(Z) = UP(Z) x (l+RbZw)<2> og DN1(Z) = DN(Z) x (l+RbZ„)<2> etter først å initialisere Rb med en verdi omfattet av ulikheten: -1 < Rb < +1, g) iterativt å krysskorrelere UP1(Z) med DN1(Z), diskret å perturbere Rb-komponenten til Backus-operatoren etter hver iterasjon, inntil krysskorrelasjonsfunksjonen konvergerer til minimum, og h) ved konvergens, å utpeke den endelige verdi av Rb som den lokale vannbunnsrefleksjonskoeffisient ved den valgte dobbelmodus-sensorstasjon.

2. ■ Fremgangsmåte i henhold til krav 1, omfattende: å gjenta trinnene a) til h) for alle sensorer ved alle dobbelmodus-sensorstas joner .

3. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, omfattende: vindus-filtrering av hastighets- og trykksignaturene forut for oppløsningstrinnet.

4. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, omfattende: å midle verdiene for Rb fra et antall sensorer innenfor en forutbestemt radius fra hverandre.