NO318873B1 - Fremgangsmate for a forbedre koblingsresponsen til en havbunnsseismisk sensor - Google Patents

Description

Denne oppfinnelsen omhandler å forbedre koblingsresponsen av en flerakset seismisk sensor eller geofon plantet på havbunnen med spesiell oppmerksomhet rettet mot sensoren hvis sensorakse er romlig polarisert langs en krysslinje- eller tverslinje-akse.

Selv om de grunnleggende prinsippene for seismisk utforskning er velkjente, vil en kort undervisende gjennom-gang om de geofysiske problemene som melder seg i denne sammenheng bli presentert.

EP 0 534 648 Al angår en fremgangsmåte for marin seismisk utforskning, som benytter en filterfunksjon, hvor hydrofon/geofon-par er plassert på havbunnen.

Vennligst henvises til figur 1, hvor en linje med seismiske transdusere 10o, 10i, IO2, ... 10s, (s=3, 4,.., n, hvor n er et stort heltall) er vist lagt på bunnen av et vannlegeme 14, (som kan være for eksempel det åpne hav, en innsjø, en bukt, en elv eller et reservoar) adskilt med en ønsket avstand som for eksempel 25 meter. For denne oppfinnelsens formål er transduserne fleraksede bevegelsesfølsomme anordninger. I denne oppfinnelsen er begrepene "sensor", "mottaker" og "geofon" synonyme. Begrepene henviser til en mekanisk-bevegelsestransduser som måler partikkelhastighet. Dette begrepet er å skille fra en hydrofon som er en trykk-transduser.

Sensorene er mekanisk og elektrisk koblet til en havbunnskabel 16 hvor en eller begge ender er merket i havflaten 11 ved en bøye som 18. I praksis kan kabelen være hundreder eller tusener fot lang og påfestet mange hundre sensorer. For arealdekkende 3D-undersøkelser kan en mengde kabler legges ut parallelt med hverandre i et vidtfavnende nettverk.

Vanligvis legges kablene og sensorene ut over arealet som skal undersøkes ved hjelp av et kabelleggingsfartøy. På et senere tidspunkt vil et servicefartøy 20 oppsøke tilegnede stasjoner og fanger opp en eller flere kabler 16 fra havbunnen, hvor endene har markeringsflagg på bøyer som vist. Kabelen 16 omfatter en mengde av indre anordnede kommunikasjonskanaler (ikke vist) som kan være elektriske, optiske, eller i noen tilfeller "eteriske" for overføring av sensor-utgangssignaler til digitale dataregistrerings- og data-prosesseringskanaler av hvilken som helst kjent type (ikke vist) på fartøyet 20. Fartøyet 20 er utstyrt med presisjons-navigasjonsmidler som for eksempel GPS-mottaker og kan omfatte en radarpeiler eller et radarfyr 22 for avstands-måling til en radarreflektor 24 montert på halebøyen 18 i den andre enden av kabelen 16.

En akustisk lydkilde avfyres ved forhåndsvalgte skudd-punkter som kan være adskilt fra hverandre ved et heltalls-multippel av sensoravstanden. Kilden 26 utstråler bølgefelt som vist generelt ved 28 og 30 for å lydlegge de geologiske undergrunnslagene som 32, hvorpå bølgefeltet reflekteres mot overflaten som det reflekterte bølgefeltet 34. Sensorene 10s avføler de mekaniske jordbevegelsene, omformer disse bevegel-sene til elektriske signal og sender disse signalene gjennom kommunikasjonskanaler til registreringsutstyr om bord på fartøyet 20.

Et bølgefelt kan utbre seg langs en direkte gangbane som 36 eller langs reflektert-stråle-gangbaner som 38, 38<1>og 38" til de respektive sensorene 10s. De registrerte data presen-teres i form av tidsskalatraser, en trase per sensor/skudd. En samling av tidsskalatraser som resulterer fra en enkelt kildeaktivering (et skudd) som lydlegger en mengde mottakere, som i figur 1, utgjør en felles skuddsamling. På den andre side er det i figur 5 vist tidsskalatraser som registrert ved en enkelt sensor 10s etter lydlegging av mengde adskilte skudd 26, 26', 26" som utgjør en felles-mottaker-samling. Avstanden mellom et skuddpunkt og overflateprojeksjonen 27 for sensoren 10 kalles tradisjonelt "offset".

Figur 2 er et nærbilde, et røntgenbildelignende sideriss av en flerakset bevegelsessensor 10s. Sensoraksen kan være vertikal, enhet 40; langs linjen, enhet 42; og på tvers, enhet 44. Vanligvis reagerer de to horisontalpolariserte sensorene helst på skjaarbølger og vertikalsensoren vanligvis på kompresjons- eller trykkbølger. I noen tilfeller kan et toakset instrument anvendes for detektering av skjærbølger kun, med sensorenhetene retningspolarisert langs ortogonale x- og y-akser. Flerakseenhetene er spesiallagde innkapslinger i en enkelt boks og internt gimbal-opphengt for automatisk å innrette seg langs sine gjensidig ortogonale akser etter avsetningen på havbunnen. Av gode og tilstrekkelige årsaker er kapselen som inneholder sensorkomponentene vanligvis sylindrisk. Kabelen 16 er relativt tung. Innfestet i den fremre og aktre enden av sensorkapselen holder kabelen 16 den fleraksede bevegelsessensoren til havbunnen 12. Langs-linje-enheten 42 er godt koblet til havbunnen 12 fordi den er orientert i retningen parallelt med kabelen 16. I denne retningen er kontaktarealet med havbunnen relativt stort. Dette er ikke tilfelle for tverslinje-enheten. Figur 3 er et røntgenbildelignende tverrsnitt av fleraksesensoren 10, tatt langs linjen 3-3 hvor man ser tilbake i retning mot fartøyet 20. På grunn av dens sylindriske form vil kapselen 10s ikke bare rulle sideveis frem og tilbake som vist ved de kurvede pilene 4 6, men vannstrømmer og andre forstyrrelser kan forårsake sensoren å forflytte seg sideveis i krysslinjeretningen som angitt ved pilene 48, 48'. Disse forstyrrelsene berører ikke langs-linje-enhetene på grunn av deres respektive polariseringer men de introduserer alvorlig støy for kryssaksesignalene. Figur 4 er fleraksesensoren 10s som sett ovenfra langs linjen 4-4 i figur 2. Det vil bli henvist til denne figuren senere.

En geofon som brukes i havbunnskabler er et fjær-masse oscillerende system. Ved å anta perfekt kobling, kan over-føringsfunksjonen for en geofon uttrykkes ved begrepene dempning n, resonant eller naturlig frekvens co og fasevinkel cp i forhold til en inngangstrinn- eller "input step"- funksjon. Det er vanlig at geofoner er dempet ved omkring 0,7 av den kritiske ved en resonansfrekvens på omtrent 10-20 Hz. Hvis vi antar at det anvendes en hastighetssensor, og hvor vi befinner oss under den naturlige frekvensen, er dempnings-raten 12 dB/oktav; vel under den naturlige frekvensen, hvor responsen er hovedsakelig konstant innenfor det nyttige seismiske frekvensområdet. Faseresponsen kan være ikke-lineær under den resonante frekvensen og henger omkring 90° bak en inngangs- eller "input"-transient over den verdien. Andre signalforvrengninger kan påtrykkes sensorens utgangssignal på grunn av de respektive transferfunksjons- (overførings-funksjons-) karakteristika for dataoverføringssignalene og dataprosesseringsutstyret.

Instrumentresponsparametere kan selvfølgelig forutsies på grunnlag av designkriterier. Men en ufullstendig jord-koblingsrespons kan ikke forutsies. Fleraksede seismiske sensorer er vesentlige for bruk i skjærbølgeundersøkelser hvor for eksempel skjærbølger langs linjen og på tvers av linjen skilles ut for å måle asimut av i det vesentlige vertikal formasjonsfrakturering. Det er åpenbart at hvis sensorresponsen på tvers av linjen forvrenges i forhold til responsen langs linjen vil den resulterende asimut-bestemmelsen bli feilaktig. Ressurskartleggingsoperasjoner på grunnlag av feilaktige data er i utgangspunktet dømt til å bli en økonomisk katastrofe.

En fremgangsmåte for å korrigere dårlig kobling av en loggesonde i et borehull ble beskrevet i en artikkel av J.E. Gaiser m.fl., kalt "Vertikal Seismisk Profil Sondekobling", Geophysics 53, pp 206-214, 1988. Imidlertid er den metoden ikke direkte anvendbar for seismiske 3D-undersøkelser. Det eksisterer et lenge følt behov for en fremgangsmåte for å måle og undertrykke signalforvrengning som kan tilbakeføres til dårlig havbunnskobling for en av komponentene for en kabelmontert flerakset sensor.

Dette er en fremgangsmåte for å fjerne uønskede grunn-koblingsresponskarakteristika fra seismiske signaler som skyldes en ufullstendig grunnkobling av en seismisk mottaker som er polarisert på tvers av undersøkelseslinjen i forhold til en velkoblet samlokalisert seismisk mottaker polarisert på langs av undersøkelseslinjen. Langs en forhåndsvalgt kilde/mottaker-sporvektor samles en mengde av langsgående seismiske bølgetog inn av mottakeren som er polarisert langs linjen, og danner en første felles-mottaker-trasesamling. På samme måte samles det inn en mengde tversgående bølger i bølgetog fra en tverrpolarisert mottaker som er samlokalisert med den mottakeren som er polarisert langs linjen, og disse dataene samles i en andre felles-mottaker-trasesamling. Hvert av de seismiske signalbølgetogene som er til stede i den respektive første og andre felles-mottaker-trasesamling autokorreleres i tidsdomenet for å fremskaffe en mengde autokorrelasjoner på langs med og på tvers av linjen. De respektive langs-linje-autokorrelasjonene normaliseres til enheten og de respektive tverslinje-autokorrelasjonene normaliseres i forhold til de tilsvarende langs-linje-autokorrelasjonene. De normaliserte tverslinje-autokorrelasjonene skaleres for å kompensere for forskjellen mellom tverslinje-polariseringsretningen og den forhåndsvalgte kilde-mottaker-sporvektor. De normaliserte langs-linje-autokorrelasjonene og de normaliserte skalerte tverslinje-autokorrelasjonene midles og gjennomsnittene overføres til frekvensdomenet for å definere langs-linje- og tverslinje-spektra. Tverslinje-autokorrelasjonen dekonvolveres med langs-linje-autokorrelasjonen for å definere en koblingsdekonvolusjonsoperator. Koblingsdekonvolusjonsoperatoren anvendes til tverslinje-seismiske bølgetog iboende i tverslinje-felles-mottaker-trasesamling for å fjerne den ufullstendige grunnkoblingsresponskarakteristikken fra tverslinje-mottaker-signalene.

De nye trekkene som antas å være karakteristiske for oppfinnelsen, både med hensyn til organisering og fremgangs måte for operasjonen, sammen med målet og fordelene dermed, vil lettere forstås ved hjelp av den følgende detaljerte beskrivelsen og tegningene hvor oppfinnelsen er illustrert ved eksempler med den ene hensikt å illustrere og beskrive, og som ikke må ses som begrensende for oppfinnelsen. Figur 1 er et konvensjonelt riss av et skip som håndterer en havbunnskabel med en mengde påkoblede fleraksede sensorer; Figur 2 er et røntgenbildelignende tverrsnitt av en tre- akset seismisk sensor; Figur 3 er et enderiss av den treaksede seismiske sensoren; Figur 4 er et riss av den treaksede sensoren i figur 2 sett ovenfra; Figur 5 illustrerer begrepet med felles-mottaker-samlinger; Figur 6 er et panel som viser langs-linje-samling av seismiske signaler i sammenligning med en tverslinje-samling av seismiske signal som viser effekten av dårlig tverslinje-grunnkobling; Figur 7 er amplitudespektra av langs-linje- og tverslinje- autokorrelasj oner; Figur 8 viser forholdet mellom langs-linje- og tverslinje-responser og det best tilpassede estimat av koblingsresponsen; Figur 9 er faseresponsen av det beste tilpassede estimat av

figur 8;

Figur 10 er panelet fra figur 6 etter kompenseringen for den ufullstendige grunnkoblingen på tvers av linjen.

Det ønskes en dekonvolusjonsoperator som danner en mottaker-konsistent modell av et dempet oscillatorisk system som best beskriver tverslinje-geofon-koblingen til sjøbunnen i forhold til den for en teoretisk perfekt koblet langs-linje-sensor. Koblingsresponsen fjernes så fra tverslinjesignalene. Det antas at den instrumentale responskarakteris-tikken er felles for begge mottakerne og ikke byr på noen problemer i forbindelse med denne oppfinnelsens formål.

Ved en første mottakerstasjon samles det inn en første felles-mottaker-samling med seismiske traser registrert ved en langs-linje-mottaker xs, og en andre felles-mottaker-samling av seismiske signaltraser er innsamlet fra en samlokalisert tverslinje-mottaker yg. Signalene skriver seg fra mange kildestasjoner fordelt over et areal over et tre-dimensjonalt volum under undersøkelsesområdet.

Figur 6 er et panel som viser første og andre {tellende fra venstre) langs-linje-felles-trasesamlinger og tredje og fjerde tverslinje-trasesamlinger. Den første og tredje og den andre og fjerde samlinger er samlokaliserte. På tverslinje-samlingene er førsteankomstene sterkt svekket og en ringe-typeinterferens med 20Hz-høyamplitude er til stede i dataene. 20Hz-interferensen antas å ha sin årsak i ufullstendig jord-kobling.

Kilde-mottaker-datapar velges ut med en kilde-mottaker-sporvektor som er omtrent 45 grader +/- en vinkeltoleranse, til gjensidig aksial innretning av både de horisontalpolariserte mottakerne slik som vist ved vektorene 52 og 54 i fig. 4. Disse dataene skulle derfor frembringe grovt sett like signalnivåer i begge komponentene. Det er å foretrekke at en mengde av forskjellige kilde-mottaker-avstander, som 0,0 til 500 meter benyttes over noen forhåndsvalgte refleksjonsvinduer som for eksempel 3,0 sekunder talt fra førsteankomstene {de første bruddene - "first breaks").

Autokorreler langs-linje-mottaker-trasepar av felles-mottaker-samling som følger:

På samme måte autokorreleres tverslinje-kilde-mottaker-trasepar:

hvor langs-linje-autokorrelasjonene normaliseres til enheten og hver tverslinje-autokorrelasjon normaliseres i forhold til dens langs-linje-sammenhørende registrering i paret. T er lengden på tidsvinduet, i er faseforsinkelsen, og x3/yser trase-binge-identifikatorer for langs-linje- og tverslinje-trasene.

Tverslinje-responsene må balanseres ved en skalerings-faktor x for å korrigere for signalnivået som projiseres inn i tverslinje-retningen:

hvor Øg er kilde-mottaker-asimut og 9X er orienteringen av langs-linje-mottakeren. Den skalerte autokorrelasjonen ^yy skalert ved x °<3 langs-linje-autokorrelasjonen ^xxblir så midlet til <i>xxog <J>yy. $xxrepresenterer et estimat av kilde-mottaker-responsen, multipler av den geologiske respons og jorddempning. <t>yy-responsen representerer i det vesentlige de samme parametrene men med tverslinje-koblingsresponsen i tillegg.

Gjennomsnittsresponsfunksjonene transformeres til frekvensdomenet for å fremskaffe langs-linje- og tverslinje-amplitudespektra som vist i figur 7 hvor den tykkere kurven er tverslinje-responsen. Det spektrale forholdet i frekvensdomenet, mellom den gjennomsnittlige tverslinje-responsen og den gjennomsnittlige langs-linje-responsen er vist ved den tynnere kurven i figur 8. Den kurven ble beregnet ved å dekonvolvere tverslinje-responsen med langs-linje-responsen i tidsdomenet. Mer spesifikt er dekonvolusjonsoperatoren den inverse av *xxslik at når den konvolveres med $xx blir resultatet en impulsfunksjon. Konvolusjon av denne operatoren med 4>yy resulterer i den tynnere kurven i figur 8 etter transformasjonen til frekvensdomenet. Hvis gjennomsnitts-tverslinje-responsen <t>yy var identisk med $Xxville respons-funksjonen være en impuls med et ellers flatt respons-spektrum. Dekonvolusjonen kunne naturligvis gjøres på individuelle datapar heller enn på gjennomsnittet av par dersom det var ønskelig.

Det er nå påkrevet å bestemme de mekaniske koblings-parametere av et dempet oscillatorisk system som er best tilpasset det observerte spektrum. Parametrene er resonans-eller naturlig frekvens co0og dempningsparameteren n som kan bestemmes her som et ubegrensende eksempel. Det dempede oscillatoriske systemet som beskriver koblingsresponsen kan anta formen:

hvor co er vinkelfrekvensen (vinkelhastigheten) , og i er den imaginære eller komplekse kvadratroten av (-1) (i=V-l). Det kan vises ved: hvor Qoer frekvensen hvor toppen fremkommer i figur 8. Substitusjon av ligning (5) inn i ligning (4) ved topp-frekvensen hvor u=0o og etter litt algebraisk manipulering gir:

hvor <Dyy (Q0) og (0) er verdiene av frekvensspekteret av de gjennomsnittlige autokorrelasjonene ved maksimum frekvens og DC respektivt.

Ligning (6) løses iterativt for n hvor venstre side av ligning (6) er større enn enheten. Substituering av n inn i ligning (5) gir coo. Den tykkere kurven i figur 8 er den best tilpassede oscillatoriske respons for coo og n.

Dekonvolusjonsoperatoren anvendes ved frekvensdomene-inversjon på alle tverslinje-geofon-signaltrasene for en bestemt mottakerstasjon. Figur 10 viser resultatene. Langs-linje-signalene er uforandret, men den 20Hz-oscillatoriske responsen har blitt fjernet fra tverslinje-datapanelet. Fase-effektene av krysskoblingsresponsen som vist i figur 9 har blitt fjernet. Førsteankomststransientene på tverslinje-panelet har blitt forbedret.

Claims (3)

1. Fremgangsmåte for fjerning av uønsket grunnkoblings-karakteristikk fra seismiske signaler på grunn av en ikke-perfekt koblet seismisk mottaker polarisert på tvers av linjeretningen i forhold til en velkoblet samlokalisert seismisk mottaker polarisert langs linjeretningen,karakterisert vedfølgende trinn: innsamling langs en forhåndsvalgt kilde-mottaker-sporvektor av en mengde langs-linje-seismiske signalbølgetog som kommer fra en utvalgt langs-linje-seismisk mottaker i en første felles-mottaker-samling og innsamling av en mengde av tverslinje-seismiske signalbølgetog som kommer fra en samlokalisert tverslinje-mottaker i en andre felles-mottaker-samling; individuell autokorrelasjon i tidsdomenet av hvert av de seismiske signalbølgetogene iboende i henholdsvis den første og den andre felles-mottaker-samlingen for å fremskaffe en mengde langs-linje- og tverslinje-autokorrelasjoner; normalisering av de respektive langs-linje-autokorrelasjonene til enheten og normalisering av de respektive tverslinje-autokorrelasjonene til de tilsvarende langs-linje-autokorrelasj onene; skalering av de normaliserte tverslinje-autokorrelasjonene for å kompensere for forskjellen mellom tverslinje-polariseringsretningen og den forhåndsvalgte kilde-mottaker-sporvektor; midling av de normaliserte langs-linje-autokorrelasjonene og de normaliserte, skalerte tverslinje-autokorrelasjonene og transformering av de samme til frekvensdomenet for å definere langs-linje- og tverslinje-amplitudespektra; dekonvolvering av tverslinje-autokorrelasjonen med langs-linje-korrelasjonen for å definere en koblingsdekonvolusjonsoperator; og anvendelse av koblingsdekonvolusjonsoperatoren på de tverslinje-seismiske signalbølgetogene iboende i tverslinje-felles-mottaker-samlingen for å kompensere signalene for den ufullstendige grunnkoblingsresponskarakteristikken på grunn av tverslinje-mottakerne.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert vedat kilde-mottaker-vektoren velges for i det vesentlige å jamføre signalnivåene av langs-linje- og tverslinje-autokorrelasjonene unntatt for effektene på signalene på grunn av forskjellen i grunn-koblingskarakteristikkene av de respektive mottakerne.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 2,karakterisert vedat dekonvolusjonen oppnås ved frekvensdomenedeling.