NO343446B1 - Passiv lavfrekvent seismisk undersøkelse av undergrunnen - Google Patents

Abstract

En passiv fremgangsmåte er tilveiebrakt for utforskning av et område under en overflate av jorden. Fremgangsmåten omfatter å bruke en enkelt sensor lokalisert i tur på et flertall av lokasjoner for å få seismiske data ved å registrere omgivende seismiske grensesnittbølger i et frekvensområde hvis nederste grense er større enn 0 Hz, og hvis øverste grense er mindre enn eller lik hovedsakelig 1 Hz. Dataene prosesseres (41-44) for å få et mål på energien i et frekvensbånd innenfor frekvensområdet. For eksempel kan de seismiske dataene bli filtrert (41) og kan være gjenstand for amplitudenormalisering (42) før de blir transformert (43) til et frekvensdomene. Energimålet kan beregnes (44) ved å integrere spektrumet i frekvensdomenet over et ønsket frekvensområde. Den resulterende beregnede energien tilveiebringer informasjon om området av jorden som blir utforsket.

Description

Gjeldende oppfinnelse relateres til en fremgangsmåte for utforskning av et område under en overflate av jorden. Gjeldende oppfinnelse relateres også til en anordning for utførelse av en slik fremgangsmåte, et program for utførelse av databehandling av en slik fremgangsmåte, en datamaskin programmert av et slik program, et datamaskinlesbart media inneholdende et slik program og overføring over et nettverk av et slik program. En slik fremgangsmåte kan for eksempel bli brukt for å lete etter nye kilder av hydrokarboner og å overvåke kjente hydrokarbonreserver.

Det er flere kjente teknikker for utforskning av strukturer og/eller sammensetning av områder under jordens overflate, inkludert under havets bunn. Noen av disse teknikkene er ”aktive” og på den måten at de krever bruk av en spesifikk kontrollert energikilde for å probe området og så måle effekten av områder på den overførte energien. Et typisk eksempel på en slik aktiv teknikk er den kjente seismiske utforskningsteknikken hvor en eller flere kilder produserer impulsive eller frekvenssveipende trykkbølger som trenger inn i jorden og de reflekterte trykkvariasjonene måles med geofoner eller hydrofoner.

Andre teknikker er av den ”passive” typen på den måten at de ikke krever energi produsert av en kilde, men i stedet benytter allerede eksisterende energi for å tilveiebringe informasjon om strukturen eller sammensetningen under jordens overflate. En slik teknikk er kjent som hydrokarbon mikroskjelv (eng.:”microtremor”) analyse (Hymas), for eksempel som vist i Dangel et al, 2001, “Phenomenology of tremor-like signals observed over hydrocarbon reservoirs (bare relaterte og høyere frekvenser)”. Hymas forsøket å måle kontinuerlige signaler eller skjelv i et frekvensområde mellom 1 og 10 Hz over reservoaret (ikke ”utenfor” eller ”på siden” av det). Som illustrert i Figur 1 i de vedlagte tegninger, måler sensorer som 1 og 2 nedsenket i overflaten 3 av jorden slike skjelv. Sensorene 1 og 2 er av typen ekstremt sensitive seismometere som har en tilstrekkelig bred båndbredde til å være sensitive til det frekvensområdet som er av interesse. Seismometrene er typisk arrangert som en todimensjonal oppstilling eller rutenett hvor avstanden mellom seismometrene typisk er mellom noen få hundre meter til en kilometer, avhengig av den påkrevde spatialoppløsningen. Utsignalet til seismometrene registreres for en periode på typisk 24 timer. Det er ikke nødvendig å gjøre registreringene samtidig, og færre seismometre kan benyttes ved å endre plasseringen etter hver registreringsperiode.

Denne teknikken er basert på den antagelse at et hydrokarbonreservoar 4 påvirker omgivende seismiske bølger med å endre bølgene på en målbar måte. Figurene 2 og 3 i de medfølgende tegningene illustrerer dette. Seismometeret 1 er plassert slik at det ikke er noe hydrokarbonreservoar i området av jorden under den. Figur 2 illustrerer resultatet av analysen av de registrerte dataene fra sensoren over en registreringsperiode på typisk 24 timer. Resultatdataene er plottet som et frekvensspekter med amplitude i vilkårlige enheter mot frekvens i Hertz (Hz). Seismometeret 2 er plassert over hydrokarbonreservoaret 4 og spekteret som oppnås fra de registrerte dataene er vist i Figur 3. Det antas at tilstedeværelsen av signifikant økt energi i frekvensbåndet rundt 3 Hz er resultat fra de modifiserte seismiske bølgene 5 som er produsert av hydrokarbonreservoaret 4 og tilveiebringer en direkte indikasjon på tilstedeværelse av hydrokarbonreservoaret.

Et problem med Hymas teknikken er at den er basert på påvisning og registrering av veldig svake seismiske rystelsessignaler. Menneskelig aktivitet tilveiebringer imidlertid relativt høy støyamplitude i det frekvensområdet som utforskes i Hymes teknikken. For eksempel støy fra fartøyer, pumper og boring forekommer i dette frekvensområdet og kan gjøre Hymas teknikken ubrukelig i mange situasjoner.

En annen kjent passiv teknikk er vist til som omgivende støy tomografi (ANT). Denne teknikken baserer seg på bruken av konvensjonelle seismometre som har registrert veldig lavfrekvent omgivelsesstøy over veldig lange tidsperioder, for eksempel i størrelsesorden av år. Frekvensområdet av interesse er under 0,5 Hz og hovedsakelig under 0,05 Hz. Selv om seismometrene kan være plassert med hundrevis av meters mellomrom i spesielle tilfeller, er de typisk plassert med hundrevis av kilometers mellomrom og til og med globalt rundt jorden. Det er nødvendig for registreringer å bli gjort samtidig, og dette avslører informasjon fra under overflaten mellom plasseringene til seismometerpar. Et eksempel på denne teknikken er vist i Bensen et al, 2007, “Processing seismic ambient noise data to obtain reliable broadband surface wave dispersion measurements”.

Dataene fra slike seismometerarrangementer er prosessert for å ekstrahere Green Funksjonen ved krysskorrelasjon av to samtidige registreringer. Resultatet for hver frekvens blir så benyttet i en spredningsanalyse fulgt av en tomografisk inversjon for å tilveiebringe et laminærbilde. Oppløsningen er slik at den tilveiebringer strukturell informasjon om jorden på en kontinental skala. Denne teknikken er derfor normalt ikke av særskilt interesse når man ser på mindre områder, for eksempel for å utforske eller overvåke hydrokarboner på grunn av utilstrekkelig spatialoppløsning.

Russisk patent nr.: 2271554C1 viser en teknikk for registrering og analyse av omgivende støy i et frekvensområde under 15 Hz. I en første fase av denne teknikken er omgivende støy samtidig registrert (”synkronisert”) av i det minste tre sensorer som er sensitive til den vertikale komponenten til det omgivende støysignalet. Dataene blir så analysert for å estimere spredningskurven innefor det området som utforskes.

I den neste fasen er omgivende støy registrert ved å bruke minst to synkroniserte sensorer som er sensitive til den vertikale komponenten. En av sensorene er brukt som en permanent stasjon i sentrum av det området som blir utforsket gjennom hele kartleggingen. Sensoren eller hver andre sensor flyttes til forskjellige lokasjoner innenfor området som blir kartlagt for å registrere den vertikale komponenten av den omgivende støyen ved hver av lokasjonene for en uspesifisert tidsperiode. Registreringene som fås av de ikke faste sensorene blir så kalibrert ved å beregne differansen mellom effektspektrumet til den permanent plasserte sensoren og de ”bevegelige” sensorene. Fra den estimerte spredningskurven beregnes en dybde på en ikke spesifisert måte for hver frekvens. Kart blir tegnet for hver frekvens eller dybde av effektspektrumdifferansene. Fordi sensorene bare er sensitive til den vertikale komponenten av den målte omsluttende støyen så er denne teknikken begrenset til Rayleighbølger.

WO 2006/011826 A1 vedrører seismisk undersøkelse, nærmere bestemt søket av hydrokarboner. En sådan undersøkelse kan brukes til søken av hydrokarboner på fastlandet, på hyllen og i vannbassenger, for lokalisering av hydrokarbon/vanngrense under hydrokarbonutvinning og for kontroll av hydrokarbon lagring i naturlige underjordiske huler.

Bensen, G.D. et al: «Processing seismic ambient noise data to obtain reliable broadband surface wave dispersion measurements».28. juli 2006, Geophys. J. Int. (2007) Nr.169. Sider 1239-1260 omhandler tomografi basert på omgivende støy. Fremgangsmåten beskrevet heri inneholder å registrere grensesnittbølger i et lavfrekvensområde.

I henhold til et første aspekt av oppfinnelsen tilveiebringes en fremgangsmåte for å utforske et område under en overflate av jorden omfattende: å benytte en enkelt sensor lokalisert etter tur på et flertall lokasjoner for å få seismisk data ved å registrere omsluttende seismiske grensesnitt bølger i et frekvensområde hvis laveste grense er større enn eller lik 0 Hz og hvis øvre grense er mindre enn eller lik hovedsakelig 1 Hz, og prosessere dataene for å få et mål på energien i et frekvensbånd innenfor frekvensområdet.

Den laveste grensen kan være større enn eller lik en av 0,005 Hz, 0,01 Hz og 0,1 Hz.

Dataene kan bli registrert ved hver lokasjon over en forhåndsdefinert periode. Perioden kan være større enn hovedsakelig en halv time.

Sensorene kan være sensitive til tre hovedsakelig rettvinklede komponenter til de omgivende seismiske grensesnittbølgene. Fremgangsmåten kan omfatte å prosessere dataene til å rotere komponenter slik at en av komponentene hovedsakelig er rettet i den innkommende retningen til de omgivende seismiske grensesnittbølgene. Fremgangsmåten kan omfatte å prosessere dataene for å få målet på energien til i det minste en av Rayleigh-, Love- og Scholtebølger.

Fremgangsmåten kan omfatte å velge en del av dataene som er tilveiebrakt ved hver lokasjon for prosessering i overensstemmelse med energien i den delen. Fremgangsmåten kan omfatte å velge en del med minst energi ved hver lokasjon.

Lokasjonene kan være adskilt med i det minste hovedsakelig 100 meter. Lokasjonene kan være adskilt med mindre enn hovedsakelig fem kilometer. Lokasjonene kan være arrangert som en todimensjonal oppstilling.

De seismiske grensesnittbølgene kan bli registrert ved eller nærliggende et grensesnitt.

Dataene kan prosesseres for å få målinger av energien i et flertall av forskjellige frekvensbånd innenfor frekvensområdet. Frekvensbåndene kan være sammenhengende eller ikke overlappende.

Frekvensbåndet eller hvert frekvensbånd kan ha en bredde mellom 0,001 Hz og 1 Hz.

Frekvensbåndet eller i det minste et av frekvensbåndene kan omfatte en diskret frekvens.

Fremgangsmåten kan omfatte å avlede målet eller hvert mål på energien fra amplitudene til de registrerte bølgene i frekvensbåndet eller respektive frekvensbånd.

Fremgangsmåten kan omfatte å avlede målet eller hvert mål på energien fra det antallet registrerte bølger i frekvensbåndet eller respektive frekvensbånd.

Fremgangsmåten kan omfatte å konvertere dataene til frekvensdomenet. Fremgangsmåten kan omfatte å avlede målet eller hvert mål på energien ved å integrere de konverterte dataene over frekvensbåndet eller respektive frekvensbånd.

Fremgangsmåten kan omfatte å normalisere amplituden til dataene. Fremgangsmåten kan omfatte å konvertere amplituden til dataene til en av første og andre verdier i henhold til fortegnet til amplituden.

Fremgangsmåten kan omfatte å filtrere dataene for å dempe eller fjerne i det minste noen frekvenser på utsiden av båndet eller hvert bånd.

Fremgangsmåten kan omfatte å tilveiebringe en visualisering av målet eller hvert mål.

Målene kan bli representert som et kart over området.

I henhold til et andre aspekt av oppfinnelsen er det tilveiebrakt en anordning arrangert for å utføre en fremgangsmåte i henhold til det første aspektet av oppfinnelsen.

I henhold til et tredje aspekt av oppfinnelsen er det tilveiebrakt et datamaskinprogram som er arrangert for å styre en datamaskin for å utføre en prosessering i en fremgangsmåte i henhold til det første aspektet av oppfinnelsen.

I henhold til et fjerde aspekt av oppfinnelsen er det tilveiebrakt en datamaskin inneholdende eller programmert av et program i henhold til det tredje aspektet av oppfinnelsen.

I henhold til et femte aspekt av oppfinnelsen er det tilveiebrakt et datamaskinlesbart medium inneholdende et program i henhold til det tredje aspektet av oppfinnelsen.

I henhold til et sjette aspekt av oppfinnelsen er det tilveiebrakt overføring over et nettverk av et program i henhold til det tredje aspektet av oppfinnelsen.

Der er derfor mulig å tilveiebringe en teknikk som kan bli brukt for utforsking under overflaten av jordenpå en passiv eller ikke forstyrrende måte. Denne teknikken er anvendelig på veldig mange typer lokasjoner inkluderende på land og til havs. Det kan til og med være mulig å bruke denne teknikken i arktiske strøk. Videre kan denne teknikken bli brukt i beskyttede nasjonalparker og lignende hvor det ikke er mulig eller ikke tillatt å bruke aktive seismiske kilder.

Oppfinnelsen vil bli ytterligere beskrevet ved å vise til eksempler med referanse til de vedlagte tegninger hvor:

Figur 1 er et diagram seksjonssnitt av et område av jorden som illustrerer Hymas teknikken.

Figur 2 og 3 er grafer av amplitude mot frekvens som illustrerer spektrumet av signaler fått av Hymes teknikken i Figur 1.

Figur 4 er et tverrsnitts seksjonsdiagram av en del av jorden som viser data ervervelse.

Figur 5 er et blokkdiagram av en datamaskin som utfører prosessering av ervervet data.

Figur 6 er et flytdiagram som illustrerer en fremgangsmåte arrangert som en utførelse av oppfinnelsen.

Figur 7 illustrerer effekten av et filtreringstrinn i fremgangsmåten i Figur 6.

Figur 8 er et bølgediagram som illustrerer effekten av et amplitudenormaliseringstrinn i fremgangsmåten i Figur 6.

Figur 9 er et diagram som viser partikkelbevegelse for en Rayleighbølge, og

Figur 10 er en graf av dybde i bølgelengder mot relativ forskyvning i vilkårlige enheter for de vertikale og horisontale komponentene til Rayleighbølger.

Den gjeldende teknikken registrerer og analyserer seismisk bakgrunnsstøy. Slik støy inkluderer alle naturlige signaler (størstedelen av energien under ~ 0,5 Hz) og all ukontrollert menneskelagd eller ”antropogene” kilder (størstedelen av energien over ~ 0,5 Hz). Foruten noen forbigående seismiske signaler (f.eks. jordskjelv, eksplosjoner og så videre), ser disse omgivelsesstøyregistreringene ut som usammenhengende bevegelse på overflaten. Disse usammenhengende signalene er bølger av forskjellige typer, og overflatebølger er hovedsakelig forventet i disse registreringene som følge av deres karakteristiske egenskaper.

Den gjeldende teknikken hovedsakelig registrerer og analyserer seismiske grensesnittbølger (SIW) slik som Rayleigh-, Love-, Scholtebølger. I kontrast til massebølger (longitudinal- og transversal-bølger, eller i seismologi P- og S-bølger), som normalt brukes for hydrokarbon utforskning, så forplanter disse SIWene seg langs et grensesnitt (f.eks. overflaten eller havbunnen). Disse SIWene har også en amplitude og energi under overflaten som er delvis høyere enn deres amplituder direkte på overflaten. Dybden av den høyeste amplituden er avhengig av frekvensen og forplantningshastigheten til den respektive SIW. Som en tommelfingerregel øker penetrasjonen til SIW med avtagende frekvens. Aktive kilder som normalt brukes for hydrokarbon utforskning har sin hovedfrekvens over 10 Hz (frekvensbånd 1). I dette frekvensområdet vil penetrasjonen av brukbare amplituder til SIW være mindre enn 10 meter (m). Seismologer bruker SIW med frekvenser langt under 0,1 Hz (frekvensbånd 3) for å få informasjon om jordskorpen og jordens mantel. Gjeldende teknikk bruker bølger mellom disse to frekvensbåndene (bånd 2) for å avlede informasjonen om området under overflaten mellom 0 m og 8000 m dybde.

Den aktive stimuleringen til SIW i frekvensbånd 1 er mulig med tradisjonelle seismiske kilder (eksplosjon, vibrasjon og så videre) eller ved menneskeskapt støy (f.eks. biler, lastebiler, industri). I bånd 3 bruker seismologer SIW fremkalt av jordskjelv. Den aktive stimuleringen av SIW i frekvensbånd 2 er egentlig ikke mulig (foruten ved atombombe eksplosjoner).

Gjeldende teknikk bruker derfor omgivende støy.

I frekvensbånd 2, er SIW hovedsakelig fremkalt av bølger og stormer på havet. Der er mulig å måle disse SIWene overalt i verden (for eksempel som vist av Webb 1998; “Broadband seismology and noise under the ocean”, i Reviews of Geophysics) og de ar vanligvis kalt ”microseisms”.

Generelt sett er analyse av amplituder til registrerte seismiske signaler/bølger veldig vanskelig som følge av for eksempel den store innvirkningen til den individuelle responsfunksjonen (inkludert forbindelsen til jorden) til hvert enkelt seismometer. Disse amplitudene inneholder imidlertid ytterligere eller tilleggsinformasjon sammenlignet med spredningen av SIW som normalt er analysert med spredningsanalyse.

Figur 4 illustrerer et første område av jorden, vanligvis indikert som 10, og et andre område av jorden, vanligvis indikert som 11, som tilveiebringer eksempler på områder som kan bli utforsket ved å bruke gjeldende teknikk. Området 10 er lokalisert til havs under havbunnen 12 mens området 11 er lokalisert på land under jordoverflaten 13. Sjøen eller haver er vist ved 14 med bølger som forplanter seg langsetter overflaten og kolliderer med en kyst 16.

Figur 4 illustrerer to teknikker for å registrere seismiske grensesnittbølger for å utforske de to områdene 10 og 11. For å utforske område 10 er en enkelt bredbåndsseismometer med tilstrekkelig sensitivitet plassert på havbunnen 12 i tur ved hver av et flertall av lokasjoner, for eksempel arrangert som et rutenett eller oppstilling over område 10. Lokasjonene 20 kan for eksempel bli valgt til å være en todimensjonal oppstilling som dekker området 10 og med en avstand mellom tilgrensende lokasjoner som er fra ca.100 meter til ca.5 kilometer. Spesielt bestemmer avstanden den spatialoppløsningen som er mulig å oppnå med gjeldende teknikk siden hver seismometerlokasjon tilveiebringer data relatert til den delen av området som i all vesentlighet er under lokasjonen. Typisk er et kvadratisk eller rektangulært mønster av lokasjoner valgt. Seismometeret kan være sensitive til den vertikale komponenten til den seismiske grensesnittbølgen eller kan også være sensitiv til andre horisontale komponenter.

Seismometeret er valgt slik at de tilveiebringer tilstrekkelig sensitivitet for å måle de seismiske grensesnitt bølgene i frekvensområdet som er av interesse, som er under hovedsakelig 1 Hz. Den nedre grensen av området kan bli valgt i henhold til dybden av området 10 som skal undersøkes. Frekvenser ned til 0 Hz kan bli registrert, men en nedre grense som godt kan være akseptabel i de fleste situasjoner er tenkt å være 0,005 Hz.

Seismometrene må derfor tilveiebringe tilstrekkelig sensitivitet over hele dette frekvensområdet.

For å utforske området 11 er landbaserte seismometre 21 arrangert som et rutenett på en lignende måte. Igjen er et enkelt seismometer lokalisert i tur ved hver av rutenettlokasjonene.

Områdene 10 og 11 er ment å skulle forutse strukturer som illustrert ved 22 omfattende kjente hydrokarbonreservoarer eller prospekter til slike reservoarer. Gjeldende teknikk kan bli brukt, enten alene eller i kombinasjon med andre utforskningsteknikker for områder under overflaten, for å lete etter nye hydrokarbonreservoarer eller for å overvåke eksisterende reservoarer, for eksempel under produksjon eller tømming av reservoarer.

De seismiske grensesnittbølgene registreres i en forhåndsbestemt periode ved hvert av lokasjonene til rutenettene. Det er antatt at en registreringstid ved hver lokasjon på et par timer normalt vil være tilstrekkelig og det er ventet at de fleste lokasjonene vil tillate en registreringstid på mindre enn 24 timer. Det er antatt at registreringstiden i størrelse av en halv time vil være tilstrekkelig i noen tilfeller.

Selv om der er mulig for de seismologiske grensesnittbølgene som registreres av seismometrene å bli prosessert i sanntid under registreringen er det mer sannsynlig at registreringene vil bli lagret for påfølgende prosessering. De seismiske dataene fra seismometerlokasjonene er derfor typisk konvertert til det digitale domenet og lagret på et passende lagringsmedium. Dataene blir deretter hentet frem når det passer og prosessert for å analysere området 10, 11.

De registrerte dataene blir prosessert av en anordning i form av en datamaskin som vist i eksempel som illustrert i Figur 5. Datamaskinen omfatter en sentral prosesseringsenhet (CPU) 30 som kontrolleres av et program som lagres i et kun lesbart (read-only) minne (ROM) 31. Et lese/skrive minne i form av et random access minne (RAM) er tilveiebrakt for midlertidig lagring av data under prosessering og, hvis hensiktsmessig, for ikke-flyktig lagring av slike data, for eksempel inkluderende resultatene av prosesseringen. Et inngangsgrensesnitt 33 er tilveiebrakt for å la de registrerte dataene fra seismometeret bli lagt inn i datamaskinen og et utgangsgrensesnitt 34 er tilveiebrakt for å levere resultatene av prosesseringen. For eksempel kan utgangsgrensenittet 34 tilveiebringe midler for å visualisere resultatene av prosesseringen.

Figur 6 er et flytdiagram som illustrerer prosesseringen utført av datamaskinen som er vist i Figur 5. De registrerte dataene er tilveiebrakt ved 40, for eksempel ved å laste de registrerte dataene inn i inngangsgrensesnittet 33. Dataene er matet til et filtreringstrinn 41 som tilveiebringer en valgfri filtrering av dataene. For eksempel kan trinn 41 bruke et høypass frekvensfilter med en passende grensefrekvens på for eksempel 0,01 Hz for å eliminere eller dempe energi på utsiden av frekvensområdet av interesse. Slik filtrering kan brukes for å eliminere eller dempe sterke lave frekvensamplitudevariasjoner med opprinnelse fra utsiden av området 10,11 av interesse. Figur 7 illustrerer ved 35 rådataene som er registrert ved en av seismometerlokasjonene over omtrentlig en 24 timers periode. Kurven 36 illustrerer resultatet av filtrering.

Det er også mulig å tilveiebringe båndpass frekvensfiltrering i trinn 41 for å dempe eller eliminere frekvenser på utsiden av frekvensområdet som er av interesse. Det er videre mulig å bruke et båndpassfilter for å velge et bånd av frekvenser eller en diskret frekvens av spesiell interesse. Filtreringstrinnet 41 kan tilveiebringe samtidig eller sekvensiell filtrering til forskjellige frekvensbånd eller diskrete frekvenser med den påfølgende prosesseringen repetert for hvert frekvensbånd eller diskrete frekvens, for eksempel for å tilveiebringe informasjon om strukturen og/eller sammensetningen av forskjellige dybder innen området 10,11 som beskrevet i det påfølgende.

De data som er valgt filtrert blir så matet til et normaliseringstrinn 42 som igjen er valgbart og som kan bli brukt for å tilveiebringe amplitudenormalisering av de registrerte dataene. Slik normalisering kan forbedre datakvaliteten, for eksempel for å redusere effekten av amplitudevariasjoner som følge av forskjellige registreringstider eller av spesielle hendelser som for eksempel jordskjelv.

Forskjellige normaliseringsteknikker er mulige og kan bli brukt i henhold til kravene og i henhold til kvaliteten til de registrerte dataene. For eksempel for å fjerne ”sterke hendelser” slik som jordskjelv kan amplitudebegrensning bli brukt for å begrense de positive og negative amplitudene til ønskede grenseverdier. En hvilke som helst ønsket grad av begrensning kan bli brukt for eksempel for å begrense alle positive og negative topper i de registrerte dataene til forhåndsbestemte grenseverdier. Slik normalisering kan bli brakt til ytterpunktet i formen av ”en bit normalisering”. I en slik normalisering er bare amplitudens fortegn tatt i betraktning slik at hver topp er begrenset til enten en felles positiv verdi eller en felles negativ verdi i henhold til tegnet til den originale amplituden. Resultatet av en slik normalisering er illustrert i Figur 8.

Andre, ikke-begrensende, amplitudenormalisering kan bli utført. For eksempel kan absolutt middelnormalisering bli brukt.

Tidsdomenedataene blir så matet til et trinn 43 hvor de konverteres til frekvensdomenet for å tilveiebringe amplitude-mot-frekvens spektrum informasjon. En hvilken som helst passende transformasjon kan bli brukt og et typisk eksempel på en slik transformasjon er en Fast-Furier transformasjon. Dataene i frekvensdomenet blir så matet til trinn 44 for beregning av energien i alle eller deler av frekvensområdet dekket av dataene. For eksempel kan amplitudeverdien for en eller flere diskrete frekvenser bli bestemt i trinn 44. Alternativt, eller i tillegg, kan trinn 44 integrere amplitudeinformasjonen i dataene fra trinn 43 over et eller flere frekvensbånd eller vinduer. For eksempel kan energien ved et sett av diskrete frekvenser, eller funnet ved å integrere over et sett av påfølgende eller ikke-overlappende frekvensvinduer, bli beregnet av trinn 44. Som beskrevet i det påfølgende er det antatt at energien ved forskjellige frekvenser eller i forskjellige frekvensbånd tilveiebringer informasjon mer direkte relatert til forskjellige dybder i regionen 10,11.

Resultatene i trinn 44 er beregningen av energien ved en bestemt frekvens eller i et bestemt frekvensbånd ved lokasjonen til seismometeret som registrerte den delen av dataene. Dette kan representere amplituden til den seismiske grensesnittbølgen ved en diskret frekvens eller i et frekvensvindu. I tilfellet hvor en bit normalisering er utført i trinn 42 indikerer utregningen hvor ofte en bølge med den bestemte frekvensen eller med en frekvens innenfor et bestemt bånd inntreffer i de registrerte dataene ved lokasjonen til seismometeret. Begge disse ”målingene” tilveiebringer derfor et mål på energien i den seismiske grensesnittbølgen ved den frekvensen eller i det båndet ved lokasjonen til seismometeret.

Det beregnede målet på energi kan brukes direkte for å tilveiebringe informasjon om området 10,11 under lokasjonene 20,21. Resultatene av trinn 44 kan imidlertid alternativt, eller i tillegg, bli matet til et valgbart visualiseringstrinn 45 for å tilveiebringe en visuell utmatning for eksempel i form av et bilde på en skjerm og/eller en utskrift. Dette kan være til hjelp i tolkningen av resultatet av utforskningen. For eksempel kan verdiene som er beregnet ved samme frekvens eller i samme frekvensområde for hver av lokasjonene til seismometrene bli vist som et todimensjonalt horisontalt kart med de individuelle verdiene representert ved lokasjonene til seismometrene i det horisontale planet.

Det er også mulig å tilveiebringe en todimensjonal representasjon av amplituden plottet mot endimensjonal posisjon for eksempel på horisontal aksen, og frekvens eller frekvensbånd for eksempel på vertikal aksen. Ved å kombinere et flertall av slike ”seksjonssnitt” i den rettvinklede horisontale romretningen kan en tredimensjonal visualisering tilveiebringes. En inversjon kan utføres for å konvertere frekvens til spatial dybde for å tilveiebringe en todimensjonal eller tredimensjonal visualisering av strukturen eller sammensetningen av området 10, 11 under rutenettet til seismometerlokasjonene.

Mange visualiseringsverktøy finnes for å tilveiebringe visuell representasjon av områder under overflaten. Et hvilket som helst passende verktøy kan brukes i trinn 45 for å tilveiebringe en hvilke som helst ønsket visualisering basert på energiberegningene utført i trinn 44.

Hvilke som helst type eller typer overflate grensesnittbølger kan bli registrert for å utføre gjeldende teknikk. Eksempler på slike bølger er Rayleighbølger, Lovebølger og Scholtebølger.

Figur 9 illustrerer bevegelsen til et medium 50 på hvis overflate en Rayleighbølge forplanter seg. Rettvinklede akser er illustrert ved X, Y og Z hvor bølgen forplanter seg i horisontal retning X og Z aksen peker nedover i dybden av mediet 50.

Partikkelbevegelsen under overflaten når en Rayleigh bølge forplanter seg langs overflaten 51 er illustrert ved 52. Overflate eller grensesnitt Rayleigh bølgen forplanter seg dermed ved hjelp av partikkelbevegelse ikke bare ved overflaten 51, men også inne i mediet 50 og hver partikkel beskriver, repeterende, en lukket sløyfe.

Figur 10 illustrerer dybde i bølgelengde mot relativ maksimal forskyvning til partikler for en Rayleigh bølge eller for forskjellige verdier av v. Dette illustrerer at maksimal forskyvning eller amplitude i den vertikale retningen ikke finner sted ved overflaten 51 eller ved andre grensesnitt, men finner isteden sted på en dybde på omtrentlig 0,2 bølgelengder under overflaten.

Selv om mekanismene som ligger til grunn for den gjeldende teknikken ikke er fullt ut forstått ved gjeldende tidspunkt tror man at strukturen og/eller sammensetningen av området under overflaten av jorden samhandler med Rayleigh eller andre seismiske grensesnittbølger på en måte som er innkodet i amplituden til slike bølger ved grensesnittet. Videre tror man at den målbare effekten kan hovedsakelig være en funksjon av den maksimale partikkelforskyvningen eller amplituden til mediet gjennom hvilket bølgen forplanter seg. Selv om alle dybdene kan ha en effekt på bølgen som er målt på overflaten kan for eksempel den maksimale effekten for den vertikale komponenten til Rayleigh bølgen hovedsakelig være resultatet fra strukturen eller sammensetningen av jorden rundt 0,2 bølgelengder under overflaten eller andre grensesnitt. Derfor tror man at amplituden til seismiske grensesnittbølger slik som Rayleigh bølger målt på overflaten og til forskjellige frekvenser i prinsipp tilveiebringer informasjon om strukturen eller sammensetningen ved forskjellige dybder under målelokasjonene.

Det er enda ikke kjent hvilke mekanismer som påvirker de seismiske grensesnittbølgene. Man tror på nåværende tidspunkt imidlertid at en eller fler av følgende mekanismer kan være ansvarlig for å påvirke de målte amplitudene:

Spredning av overflategrensesnittbølgene;

Forskjellige dempninger av overflategrensesnittbølgene;

Effekten av forskjellige bølgehastigheter;

Effekten av forskjellige fluider.

Amplituden målt ved grensesnittet kan dermed relateres til strukturen under målelokasjonen til beskaffenheten av materialet slik som hvorvidt materialet er fast, vann eller hydrokarboner, eller begge deler.

Det følgende beskriver forskjellige eksempler på gjeldende teknikk. For innsamlingen av data er det behov bare en sensor som er sensitiv til i det minste en komponent. En sensor som er sensitive til tre komponenter (for eksempel to horisontale og en vertikal) kan brukes. For å undersøke Rayleighbølgedelen til den omgivende støyen er den vertikale komponenten eller registreringen analysert. For også å undersøke Lovebølgedelen og den radielle delen av Rayleigh bølgen er det nødvendig å kjenne hovedretningen til de innkommende overflatebølgene og en enkel rotasjon av dataene til denne retningen kan bli utført. Denne retningen er hovedsakelig relatert til stormhendelser i nærheten (noen få hundre eller tusen kilometer unna). Meteorologiske observasjoner kan tilveiebringe denne informasjonen. Det er også mulig å bruke fritt tilgengelig data til seismologiske stasjoner for å lokalisere disse stormene eller til å identifisere hovedretningen. Hvis i det minste tre sensorer brukes for innsamling av data kan det være mulig å utføre en matriseanalyse som kan være av kjent type for å bestemme hovedretningen til innkommende bølger.

Sensoren er plassert ved flere lokasjoner innenfor utforskningsområdet, for eksempel ved i det minste to for å se forskjellen mellom disse to lokasjonene. Lokasjonene for målinger innenfor utforskningsområdet er fortrinnsvis på et rutenett med lik avstand eller på annen måte jevnt distribuert. Dette er ikke avgjørende, og brukbare resultater kan også fås ved ujevne undersøkelsesmønstre som kan bli valgt på grunn av topografien eller tidligere undergrunnsinformasjon.

Registreringstiden (RT1) for hvert seismometer er typisk noen få timer eller mindre. Dette avhenger også av den ønskede penetrasjonen. Høyere frekvenser betyr mindre penetrasjon og mindre registreringslengde. En kort registreringstid sikrer at det generelle amplitudenivået til den omgivende støyen ikke endres. I dette tilfellet er det mulig å sammenligne amplitudespektrumet til alle registreringene direkte for å se bare differansen som er forårsaket av undergrunnen. En stille periode kan tillate et lengre tidsvindu med stabile omgivelsesstøyamplituder.

En annen mulighet er å registrere lengre (~dager) (RT2) for å måle den fulle variasjonen av omgivelsesstøyamplituder over tid. I dette tilfelle kan de mest stille periodene bli valgt for å sammenligne bare spekteret til disse tidsintervallene. Det antas at etter hver høystøyperiode er det en rolig periode som er sammenlignbar i amplitude med den forrige.

Etter at data innsamlingen er avsluttet er seismometerregistreringer til forskjellige lokasjoner i undersøkelsesområdet tilgjengelig. For hver seismometerregistrering er de følgende trinn utført. Ikke alle er obligatoriske.

1. Filtrering

2. Beregning av FFT/spektrogrammer

3. Utvelgelse av tidsperioder

4. Verdiberegning

I det følgende er hvert trinn beskrevet i større detalj. Dersom det er alternativer til måten å prosessere dataene er dette notert. Følgende trinn kan brukes på alle tre komponentene.

1. Filtrering. Et frekvensfilter er brukt for å fokusere på et bestemt frekvensbånd. Dette kan være:

- et høypass frekvensfilter med en grensefrekvens på omtrent 0,01 Hz for å eliminere sterke lavfrekvente amplitudevariasjoner;

- et båndpassfilter for et bestemt frekvensbånd. Dersom en verdi for bare en bestemt frekvens skal beregnes (se punkt 4) så kan et båndpassfilter for denne frekvensen benyttes;

- for å få verdier for mange frekvenser kan prosessflyten bli repetert med forskjellige båndpassfiltre.

2. Fast Fourier Transformasjon FFT for å transformere registreringene fra tidsdomenet til frekvensdomenet. Dette kan vi gjøre for hele registreringen (2A) eller for kortere tid ved å kjøre vinduer over registreringen (2B). I tilfelle av 2B skal vinduslengden være i det minste noen få perioder av den undersøkte bølgen. Dette er beregningen av et spektrogram.

3. Utvelging av tidsperioder (valgbart men anbefalt; bare i tilfellet 2B): Spektrogrammet tillater utvelgelse av tidsperioder fra registreringen, uavhengig dersom vi har registreringslengde RT1 og RT2. Det er mulig å velge den roligste tidsperioden for å redusere eller eliminere uønsket påvirkning som følge av transiente signaler (for eksempel jordskjelv eller annen menneskeskapt støy) (i tilfelle RT1) og å være sikker på at tidsperioder med sterkt skiftende omgivelsesstøyamplituder ikke brukes (i tilfelle RT2). Valg av tidsperiode: Det er forskjellige metoder for å velge data fra det beregnede spektrogrammet. Noen eksempler: 1. En tidsperiode kan bli valgt der hvor energi innen et definert frekvensvindu er minimalt.2. Amplitudene kan bli sortert innenfor spektrogrammet. Dette betyr at for hver frekvens blir amplituden sortert fra lav til høy. Etterpå er det mulig å velge den roligste perioden for hver frekvens og hver tid. Til slutt kan summering over en tidsperiode bli utført for å stabilisere dataene og for å få bare et amplitudespekter som kan bli matet til det neste prosesseringstrinnet.3. Ytterligere en fremgangsmåte for utvelgelse av brukbare tidsperioder kan bli utført i tidsdomenet før det utføres FFT. Energien kan dermed bli estimert innenfor hvert tidsvindu (eller for eksempel beregne RMS verdien for et slikt kort tidsvindu). Etterpå brukes bare de tidsperiodene med lavest energiinnhold.4. En annen utvelgelsesfremgangsmåte er beskrevet av Groos og Ritter (2008; levert til Geophysical Journal International) og Diplomoppgaven til Joern Groos (2007).

Tidsseriene er delt inn i perioder med forskjellige støyklasser. Generelt sett er det ikke nødvendig å bruke den roligste tidsperioden. Det er bare viktig at tidsperiodene er sammenlignbare. Ved å bruke andre publiserte date (for eksempel meteorologiske) som tilveiebringer informasjon om det forventede støynivået for en bestemt tid er det også mulig å bruke tidsperioder med høyere støynivå.

4. Verdiberegning: Det er noen mulige fremgangsmåter for å beregne endelig verdi for hver lokasjon:

- Den enkleste måten er å bruke amplitudeverdien for en bestemt frekvens.

- Beregning av et integral til amplitudespekteret over et bestemt frekvensvindu. Dette frekvensvinduet kan være mellom 0,001 og 1 Hz. Bredden til frekvensvinduet kan varieres og kan være avhengig av dataene og den ønskede oppløsningen. Resultatet er en enkelt verdi for hver lokasjon.

Følgende prosesstrinn er kun for å visualisere resultatene:

I. Det er mulig å legge sammen alle de beregnede amplitudesprektrene fra trinn 3 for å tilveiebringe en 2D profil eller en 3D kube av området under overflaten. I dette tilfelle er frekvensen brukt som en dybdekoordinat. For å konvertere frekvens til dybde er det anbefalt å sammenligne de observerte endringen i amplitudene med endringene i den geologiske strukturen (hvis tilgjengelig) eller å gjøre en grov antagelse (for eksempel dybde = c/f*0,25; med c = forplantningshastighet og f = frekvens)

II. De beregnede verdiene til hver lokasjon fra trinn 4 kan bli plottet som et kart for å visualisere resultatene.

Det er dermed mulig å lage et bilde av den grove reservoarstrukturen. Sammenlignet med aktiv seismikk er denne teknikken meget kosteffektiv og miljøvennlig, men med lavere oppløsning.

Det er mulig å produsere et grovbilde av undergrunnen med en veldig billig fremgangsmåte og en relativ god oppløsning. Denne teknikken er uavhengig av miljøet slik at det er mulig å bruke den på fjell, på dypt hav, i arktiske strøk eller i beskyttede nasjonalparker hvor det ikke er mulig eller lov til å bruke aktive seismiske kilder (spesielt i dette frekvensbåndet).

Teknikken kan tilveiebringe ytterligere informasjon og kan bli brukt i kombinasjon med andre fremgangsmåter (for eksempel omgivelsesstøytomografi).

Det er antatt at en ny utforskningsteknikk har blitt tilveiebrakt og kan bli brukt i utforskning av hydrokarbonreservoarer eller for relaterte funksjoner slik som overvåking i kjente hydrokarbonreservoarer. Denne teknikken er relativt billig og det kan være mulig å benytte allerede eksisterende passive seismiske registreringer.

Teknikken er av den passive typen og kan bli brukt hvor som helst i verden. For eksempel kan teknikken bli brukt til havs eller på land eller til og med i arktiske områder, for eksempel over isflak. Det kan være mulig å tilveiebringe tredimensjonal informasjon om undergrunnsstrukturen og/eller teknikken kan tilveiebringe en direkte indikasjon på tilstedeværelsen av hydrokarboner.

Claims (26)

PATENTKRAV

1. Fremgangsmåte for å utforske et område under en overflate av jorden

k a rak te r i s e r t ved at fremgangsmåten omfatter

å bruke en enkelt sensor plassert i tur ved et flertall av lokasjoner for å erverve seismiske data ved å registrere omgivende seismiske grensesnittbølger i et frekvensområde hvis laveste grense er større enn eller lik 0 Hz og hvis øverste grense er mindre enn eller lik hovedsakelig 1 Hz, og å prosessere dataene for å tilveiebringe et mål på energien i et frekvensbånd innenfor frekvensområdet.

2. Fremgangsmåte i henhold til et krav 1, hvor den laveste grensen er større enn eller lik en av 0,005 Hz, 0,001 Hz, 0,01 Hz og 0,1 Hz.

3. Fremgangsmåte i henhold til krav 1 eller 2, hvor dataene registreres ved hver lokasjon over en forhåndsbestemt periode.

4. Fremgangsmåte i henhold til krav 3, hvor perioden er større enn hovedsakelig en halv time.

5. Fremgangsmåte i henhold til et hvilket som helst av de foregående krav, hvor sensoren er sensitiv til tre hovedsakelig rettvinklede komponenter til de omgivende seismiske grensesnittbølgene.

6. Fremgangsmåte i henhold til krav 5, innebefattende å prosessere dataene til å rotere komponentene slik at en av komponentene hovedsakelig er rettet i den innkommende retningen til de omgivende seismiske grensesnittbølgene.

7. Fremgangsmåte i henhold til krav 6, innebefattende å prosessere dataene for å få målet på energien til i det minste en av Rayleigh-, Love- og Scholtebølger.

8. Fremgangsmåte i henhold til et hvilket som helst av de foregående krav, innebefattende å velge for prosessering en del av dataene som er fått ved hver lokasjon i overensstemmelse med energien i den delen.

9. Fremgangsmåte i henhold til krav 8, innebefattende å velge en del med minst energi ved hver lokasjon.

10. Fremgangsmåte i henhold til et hvilket som helst av de foregående krav, hvor lokasjonene er plassert med et mellomrom på i det minste i hovedsak 100 meter.

11. Fremgangsmåte i henhold til et hvilket som helst av de foregående krav, hvor lokasjonene er plassert med et mellomrom på mindre enn i hovedsak 5 kilometer.

12. Fremgangsmåte i henhold til et hvilket som helst av de foregående krav, hvor lokasjonene er arrangert som en todimensjonal oppstilling.

13. Fremgangsmåte i henhold til et hvilket som helst av de foregående krav, hvor de seismiske grensesnittbølgene er registrert ved eller nærliggende et grensesnitt.

14. Fremgangsmåte i henhold til et hvilket som helst av de foregående krav, hvor dataene prosesseres for å få målinger av energien i et flertall av forskjellige frekvensbånd innenfor frekvensområdet.

15. Fremgangsmåte i henhold til krav 14, hvor frekvensbåndene er tilgrensende eller ikke overlappende.

16. Fremgangsmåte i henhold til et hvilket som helst av de foregående krav, hvor frekvensbåndet eller hvert frekvensbånd har en bredde mellom 0,001 Hz og 1 Hz.

17. Fremgangsmåte i henhold til et hvilket som helst av krav 1 til 15, hvor frekvensbåndet eller i det minste et av frekvensbåndene innebefatter en diskret frekvens.

18. Fremgangsmåte i henhold til et hvilket som helst av de foregående krav, innebefattende å avlede målet eller hvert mål på energien fra amplitudene til de registrerte bølgene i frekvensbåndet eller respektive frekvensbånd.

19. Fremgangsmåte i henhold til et hvilket som helst av krav 1 til 17, innebefattende å avlede målet eller hvert mål på energi fra antallet registrerte bølger i frekvensbåndet eller i respektive frekvensbånd.

20. Fremgangsmåte i henhold til et hvilket som helst av de foregående krav, innebefattende å konvertere dataene til frekvensdomenet.

21. Fremgangsmåte i henhold til krav 20, innebefattende å avlede målet eller hvert mål på energien ved å integrere de konverterte dataene over frekvensbånd eller respektive frekvensbånd.

22. Fremgangsmåte i henhold til et hvilket som helst av de foregående krav, innebefattende å normalisere amplituden til dataene.

23. Fremgangsmåte i henhold til krav 22, innebefattende å konvertere amplituden til dataene til en av første og andre verdier i henhold til fortegnet til amplituden.

24. Fremgangsmåte i henhold til et hvilket som helst av de foregående krav, innebefattende å filtrere dataene for å dempe eller fjerne i det minste noen frekvenser på utsiden av båndet eller hvert bånd.

25. Fremgangsmåte i henhold til et hvilket som helst av de foregående krav, innebefattende å tilveiebringe en visualisering av målet eller hvert mål.

26. Fremgangsmåte i henhold til krav 25, hvor målene er representert som et kart over området.