Reflexionsseismik - ftp.uni-koeln.deftp.uni-koeln.de/institute/seismo/BS_Seismic/Seismik_Block9.pdf · Prinzip Datenbearbeitung BKE - Seismische Explorationsverfahren Teil 9 - Slide

BS Seismische Explorationsverfahren

Dr. B. Knapmeyer-Endrun 1

BKE - Seismische Explorationsverfahren Teil 9 - Slide 1

Reflexionsseismik

Prinzip

Datenbearbeitung


Reflexionsseismik Prozessingschema

Field 'tapes' Observer's log

PREPROCESSING

Demultiplex

Editing

Gain recovery

Field geometry

Application of field statics

DECONVOLUTION

Deconvolution

Trace equalizing

CMP SORTING

VELOCITY ANALYSIS

Residual statics

VELOCITY ANALYSIS

NMO CORRECTION

STACKING BRUTE STACK DISPLAY

DISPLAY DISPLAY

Time-varying filter

Gain

MIGRATION

Gain




Common Midpoint Gather (Wdh.)

• common midpoint gather:

– Seismogrammsektion, die die Reflexionen

von den gleichen Untergrundpunkten

enthalten, die von unterschiedlichen Quell-

Empfängergeometrien erreicht wurden

– bei ebener Lagerung werden von

unterschiedlichen Quell-

Empfängerkombinationen genau

die gleichen Punkte im

Untergrund erreicht

– common depth point gather

– bei geneigten Schichten wird der

Reflexionspunkt verschmiert

– common midpoint gather

Geophone Quellen



Direkte Welle

Reflexions hyperbeln

Geophone Quellen

• common midpoint gather:

– Seismogrammsektion, die die Reflexionen

von den gleichen Untergrundpunkten

enthalten, die von unterschiedlichen Quell-

Empfängergeometrien erreicht wurden





common midpoint CMP

• Arbeitsweise:

– Geophonkette und Quellen

werden entlang des Profils

verschoben

• Überdeckungsgrad (fold):

– Anzahl wie oft ein Punkt von

einem Wellenstrahl erreicht wird

– im Beispiel 6-fold

• In der Praxis:

– Ingenieurseismik 1-6-fold

– Öl-Exploration: 50/100-1000 fold




PREPROCESSING

Demultiplex

Editing

Gain recovery

Field geometry


DECONVOLUTION

Deconvolution

Trace equalizing

CMP SORTING

VELOCITY ANALYSIS

Residual statics

VELOCITY ANALYSIS

NMO CORRECTION


DISPLAY DISPLAY

Time-varying filter

Gain

MIGRATION

Gain




• die Ermittlung der Verteilung der seismischen

Geschwindigkeiten im Untergrund ist eine der

Schlüsselaufgaben bei seismischen Explorationsverfahren

• die Geschwindigkeit ist unerlässlich, um Zeitsektionen in

Tiefensektionen und letztlich geologische Modelle zu

transformieren

• dummerweise sind reflexionsseismische Messungen nicht

sehr empfindlich im Hinblick auf die

Geschwindigkeitsbestimmung

– in der Praxis werden daher oft zusätzlich Refraktionsmessungen

zur besseren Eingrenzung der Geschwindigkeiten durchgeführt

Geschwindigkeitsanalyse


• um aus reflexionsseismischen Daten Geschwindigkeiten

zu ermitteln braucht man:

– eine Anzahl von Empfängern entlang einer Auslage an der

Erdoberfläche

– damit sind die meisten Wellenstrahlen nicht senkrecht

– das heißt hier verlassen wir gewollt des einfache Echolotpinzip

• bei horizontaler Schichtung ist der kürzeste reflektierte

Wellenweg der Vertikale (normal incidence)

• Strahlen zu weiter entfernten Geophonen brauchen

Extralaufzeit (normal move out, NMO)

• im Laufzeitdiagramm (Zeit gegen Entfernung) führt dies zu

einer Hyperbel als Laufzeitkurve





• die Geometrie eines CMP gather

führt zu einer hyperbolischen Form

der Reflexionshyperbeln

• mit wachsender Geschwindigkeit

werden die Hyperbeln flacher


• Normal move out:

– Extralaufzeit für Wellenstrahlen, die nicht

vertikal zum Reflexionspunkt laufen,

sondern zu entfernteren Geophonen

– die NMO Zeit ist der Schlüssel zur


Reflexions-

hyperbeln

werden flacher

mit wachsender

Tiefe und

Geschwindigkeit


• die Extrazeit Dt hängt ab von:

– der Geschwindigkeit v

– der Schichtdicke h

• sie berechnet sich aus:

– vertikale TWT, t0, ist die doppelte

Tiefe dividiert durch v

Normal Move Out NMO

112 vh

– die TWT zum Geophon bei R ist:

0t

Entfernung (x)

Hyperbel

Zeit

(t)

0

2

x

tD

A

Rxx

x

11 vh

2v

S 11 2 vSAvSAR

– mit Pythagoras folgt:

2

2

1

1

02

2

D

xh

vttt




• 2h1/v1 ersetzen durch t0

Normal Move Out NMO

0t

Entfernung (x)

Hyperbel

Zeit

(t)

0

2

x

tD

A

Rxx

x

11 vh

2v

S

2

2

1

1

02

2

D

xh

vttt

• Wenn der Offset klein ist gegen die

Reflexionstiefe (x << h) folgt

(Binomialreihenentwicklung):

0

2

1

2

02 tv

xttt D

𝑡 = 𝑡0 1 +𝑥

2ℎ1

2

= 𝑡0 1 +𝑥

𝑣1𝑡0

2


• das ist der normal move out

• die große Bedeutung liegt darin, dass

sich aus der Gleichung die

Geschwindigkeit freistellen lässt:

Normal Move Out NMO

0t

Entfernung (x)

Hyperbel

Zeit

(t)

0

2

x

tD

A

Rxx

x

11 vh

2v

S

0

2

1

2

02 tv

xttt D

tt

xv

D

0

12

• x ist bekannt und t0 und Dt sind aus

der Seismogrammsektion zu

bestimmen




• auf der anderen Seite brauchen wir

die Geschwindigkeit(en) um in der

Sektion die Hyperbelkrümmung zu

korrigieren

• NMO Korrektur

Normal Move Out NMO

0t

Entfernung (x)

Hyperbel

Zeit

(t)

0

2

x

tD

A

Rxx

x

11 vh

2v

S

0

2

1

2

02 tv

xttt D

• nach der Korrektur können die

Wellenformen gestapelt werden


Normal Move Out NMO






PREPROCESSING

Demultiplex

Editing

Gain recovery

Field geometry


DECONVOLUTION

Deconvolution

Trace equalizing

CMP SORTING

VELOCITY ANALYSIS

Residual statics

VELOCITY ANALYSIS

NMO CORRECTION


DISPLAY DISPLAY

Time-varying filter

Gain

MIGRATION

Gain


– für jede denkbare Geschwindigkeit werden die Hyperbeln berechnet und

die Wellenformen gestapelt

– bei der richtigen Geschwindigkeit summieren sich die Amplituden auf

– für die entsprechende Tiefe (Laufzeit) wird diese Geschwindigkeit

ausgewählt


0

2

1

2

02 tv

xtttNMO D

• die Geschwindigkeiten ergeben sich

aus einem trial and error Verfahren:

t

0t

x

1

2

3

velocity

power peak

1 23




Geschwindigkeitsanalyse (Beispiel)

TW

T

Stapelgeschwindigkeit

– für 24 Stapelgeschwindigkeiten wurden die NMO Korrekturen durchgeführt

und die Sektionen gestapelt

– an drei Positionen sind gute Reflexionssignale markiert, die mit der

richtigen Geschwindigkeit korrigiert wurden


Geschwindigkeitsanalyse (Beispiel)

http://sioseis.ucsd.edu/vpick-example.html

Sektion semblance Isolinienplot




Mehrschichtfall

0

2

1

2

02 tv

xtttNMO D

• die Gleichungen gelten nur im

Einschichtfall

• in der Regel haben wir es aber mit

vielen Schichten zu tun

• um die Geschwindigkeit auch bei

mehreren Schichten zu ermitteln,

müssen wir drei Geschwindigkeiten

definieren:

tt

xv

D

0

12

• Intervall Geschwindigkeit

– interval velocity

• Durchschnitts Geschwindigkeit

– average velocity

• RMS Geschwindigkeit

– root mean square velocity

iii tzv

0TZv

i

ii

RMSt

tvv

2

1v

2v

3v

4v

5v

1z

2z

3z

4z

5z

Z0T


Mehrschichtfall



Besondere Art der Mittelung: Entspricht

der Geschwindigkeit, die eine einzelne

Schicht, mit einer Mächtigkeit die der

Tiefe der Grenzfläche n entspricht,

haben müsste, um die gleiche TWT

und NMO zu erzeugen wie die

beobachteten.

i

ii

RMSt

tvv

2

1v

2v

3v

4v

5v

1z

2z

3z

4z

5z

Z0T

𝑡2 = 𝑡02 +

𝑥2

𝑣2 Statt für die einzelne Schicht gilt

𝑡𝑖2 = 𝑡0,𝑖

2 +𝑥2

𝑣𝑟𝑚𝑠,𝑖2




Mehrschichtfall • RMS-Geschwindigkeiten können aus den Hyperbeln bestimmt werden

und benutzt werden, um Intervall Geschwindigkeiten zu berechnen

• Intervall Geschwindigkeit

– interval velocity



iii tzv

i

ii

RMSt

tvv

2

1v

2v

3v

4v

5v

1z

2z

3z

4z

5z

Z0T

• Intervall Geschwindigkeit von Schicht n

aus RMS Geschwindigkeit und TWT zur

n-ten und n-1. Schicht

𝑣𝑖𝑛𝑡 =𝑣𝑅𝑀𝑆,𝑛

2𝑇𝑛 − 𝑣𝑅𝑀𝑆,𝑛−1

2𝑇𝑛−1

𝑇𝑛 − 𝑇𝑛−1

• Dix'sche Formel: die Intervall Geschwindigkeit kann von oben nach unten,

Schicht für Schicht, aus der RMS Geschwindigkeit bestimmt werden

• Die Schichtmächtigkeiten werden aus der Intervall Geschwindigkeit für

diese Schicht und der TWT zu Ober- und Unterkante der Schicht

bestimmt

𝑧𝑖 = 𝑣𝑖𝑛𝑡𝑇𝑖 − 𝑇𝑖−1

2


Geschwindigkeitsanalyse: Beispiel Zweischichtmodell

• tiefes Modell

Für 5 km offset:

s km/s

s km/s

s km/s

044.05.6

062.05.5

052.00.6

1

1

1

km km/s 2061 z

Gleichung der

Reflexionshyperbel

4

4003

1

4

2 222

1

xxzt

NMO Korrektur

4802

2

0

2

1

2 x

t

xtNMO D

• sind dies signifikante Unterschiede?

• wie könnten wir die Geschwindigkeits-

auflösung verbessern?

t

0t

x

1

2

3

Für 5 km offset:

s km/s

s km/s

s km/s

360.05.3

600.05.2

417.00.3

1

1

1

km km/s 531 z

425

5.1

1 2xt

60

2xtNMO D

• flaches Modell

0.306 s




Frequenzfilterung

• Hochpass:

– um ground roll (Oberflächenwellen)

zu unterdrücken

• Tiefpass:

– um hochfrequenten Noise (jitter) zu

entfernen

• Notchfilter:

– um Einzelfrequenz zu entfernen

niedrig hoch

Am

plit

ude

niedrig

Am

plit

ude

niedrig

Am

plit

ude

niedrig

Am

plit

ude

hoch hoch

hoch Frequenz

Frequenz

Frequenz

Frequenz


Frequenzfilterung

Ashton et al., Oilfield Review, 1994




Auflösungsvermögen: vertikal


v1

v2

v3

• wenn zwei Grenzflächen näher aneinander rücken, überlagern sich

einfallendes und reflektiertes Signal immer mehr

• ab einem bestimmten Punkt sind sie nicht mehr zu unterscheiden

• v3 > v2 > v1





v1

v2

v1


• wenn zwei Grenzflächen näher aneinander rücken, überlagern sich

einfallendes und reflektiertes Signal immer mehr

• ab einem bestimmten Punkt sind sie nicht mehr zu unterscheiden

• v3 = v1

•end 2010-06-25


• In der Praxis sind die Impulse schwer zu trennen, wenn sie um

weniger als eine halbe Wellenlänge getrennt sind

• da der Impuls von der Unterkante zusätzlich zweimal die

Schichtmächtigkeit durchlaufen muss, muss eine Schicht dicker

als ¼ der Wellenlänge sein, um sie aufzulösen

• das ist ein theoretischer Wert, 1/2 ist besser!

• wie kann man die vertikale Auflösung verbessern?

– man muss Signale mit höherer Frequenz verwenden

• welcher Nachteil ergibt sich daraus?

– höherfrequente Signale werden schneller absorbiert, d.h. die

Eindringtiefe nimmt ab


4

h




• einfache vertikale Stufe

• um detektierbar zu sein, muss die Stufe

eine Verzögerung ¼ bis ½ Wellenlänge

erzeugen

• d.h. die Höhe der Stufe h muss 1/8 bis ¼

der Wellenlänge sein (Zweiwegelaufzeit)

• Zahlenbeispiel:

• 20 Hz, α = 4.8 km/s

– wie groß ist die Wellenlänge?

– λ = 240 m

• d.h. die Stufe muss min. 30 m betragen

• kleinere Wellenlängen (höhere Frequenzen)

ergeben bessere Vertikalauflösung

Auflösungsvermögen: vertikal (Beispiel)

tD

Entfernung

TW

T

h


Auflösungsvermögen: vertikal (Beispiel)

Wellenlänge = 48 m, Schichtmächtigkeit 12, 24 und 36 m

Versatz entspricht (von links nach rechts) /16, /8, /4 und /2

Klar aufgelöst werden kann der Versatz erst ab /4, detektiert werden kann

die Störung bereits früher

Ashton et al., Oilfield Review, 1994




• bei einer graduellen Änderung der Geschwindigkeit kann es

auch sein, dass sich keine Reflexion ergibt

• wir können diesen Fall betrachten wie einen Vielschichtfall aus

dünnen Schichten, zu dünn um detektiert zu werden


v v

z z


• erste Fresnel Zone:

– Fläche eines Reflektors, die innerhalb des

ersten Halbzyklus Energie zum Empfänger

reflektiert

– Diese Reflektionen sind in Phase und tragen

konstruktiv zum Abbild des Reflektionspunkts

bei

• die Breite der ersten Fresnel Zone, w ist:

• wenn eine Grenzfläche kleiner als die erste

Fresnel Zone ist, erscheint sie als punktförmiger

Diffraktor

• Zahlenbeispiel:

– 30 Hz Signal, 2 km Tiefe, α = 3 km/s

– λ = 0.1 km

– und Breite der ersten Fresnel Zone w= 0.63 km

Auflösungsvermögen: horizontal

42

24

22

2

2

2

dw

wdd

4

Quelle und

Empfänger

erste Fresnel Zone

4

d

d

P Q

2

w

2

w

2

w

•end 2012-06-22





– Fläche eines Reflektors, die innerhalb

des ersten Halbzyklus Energie zum

Empfänger reflektiert

– Diese Reflexionen sind in Phase und

tragen konstruktiv zum Abbild des

Reflektionspunkts bei

• die Breite der ersten Fresnel Zone, w

ist:

Auflösungsvermögen: horizontal

42

24

22

2

2

2

dw

wdd

Quelle und

Empfänger

•end 2012-06-22

Reflektionsbereich

(1. Fresnelzone)

• Zahlenbeispiel:

– 1/40 ms = 25 Hz Signal, 2.5 km Tiefe, α

= 2.5 km/s

– λ = 0.1 km

– Breite der ersten Fresnel Zone w= 0.71

km



– Fläche eines Reflektors, die innerhalb des ersten Halbzyklus Energie zum

Empfänger reflektiert

– Diese Reflexionen sind in Phase und tragen konstruktiv zum Abbild des

Reflektionspunkts bei

– Existiert auch für Refraktionen: Sehr dünne Schichten sind nicht auflösbar

Auflösungsvermögen:

•end 2012-06-22






PREPROCESSING

Demultiplex

Editing

Gain recovery

Field geometry


DECONVOLUTION

Deconvolution

Trace equalizing

CMP SORTING

VELOCITY ANALYSIS

Residual statics

VELOCITY ANALYSIS

NMO CORRECTION

STACKING

Time-varying filter

Gain

DISPLAY

BRUTE STACK DISPLAY

MIGRATION

Gain

DISPLAY


NMO Korrektur Beispiel

Rob Hardy, Basic seismic processing for interpreters

Muting: zeitliche Auflösung

und Frequenzinhalt nehmen

bei großen Entfernungen

und kurzen Zeiten ab:

Moveout stretch, verursacht

durch größere Verschiebung

bei großen Entfernungen

Außerdem direkte und

refraktierte Ankünfte, die

nicht berücksichtigt werden

sollen




Zusammenfassung

• Wichtige Begriffe:

– Geschwindigkeitsanalyse velocity analysis

– normal move out Korrektur NMO

– Intervall Geschwindigkeit interval velocity

– Mittlere Geschwindigkeit average velocity

– RMS Geschwindigkeit root mean square vel. RMS

– vertikale Auflösung vertical resolution

– Lamda-viertel

– horizontale Auflösung horizontal resolution

– erste Fresnel Zone

•end 2011-07-01

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