BS Seismische Explorationsverfahren
Dr. B. Knapmeyer-Endrun 1
BKE - Seismische Explorationsverfahren Teil 9 - Slide 1
Reflexionsseismik
Prinzip
Datenbearbeitung
BKE - Seismische Explorationsverfahren Teil 9 - Slide 2
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
BS Seismische Explorationsverfahren
Dr. B. Knapmeyer-Endrun 2
BKE - Seismische Explorationsverfahren Teil 9 - Slide 3
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
BKE - Seismische Explorationsverfahren Teil 9 - Slide 4
Common Midpoint Gather (Wdh.)
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
BS Seismische Explorationsverfahren
Dr. B. Knapmeyer-Endrun 3
BKE - Seismische Explorationsverfahren Teil 9 - Slide 5
Common Midpoint Gather (Wdh.)
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
BKE - Seismische Explorationsverfahren Teil 9 - Slide 6
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
BS Seismische Explorationsverfahren
Dr. B. Knapmeyer-Endrun 4
BKE - Seismische Explorationsverfahren Teil 9 - Slide 7
• 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
BKE - Seismische Explorationsverfahren Teil 9 - Slide 8
• 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
Geschwindigkeitsanalyse
BS Seismische Explorationsverfahren
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BKE - Seismische Explorationsverfahren Teil 9 - Slide 9
• die Geometrie eines CMP gather
führt zu einer hyperbolischen Form
der Reflexionshyperbeln
• mit wachsender Geschwindigkeit
werden die Hyperbeln flacher
Geschwindigkeitsanalyse
• Normal move out:
– Extralaufzeit für Wellenstrahlen, die nicht
vertikal zum Reflexionspunkt laufen,
sondern zu entfernteren Geophonen
– die NMO Zeit ist der Schlüssel zur
Geschwindigkeitsanalyse
Reflexions-
hyperbeln
werden flacher
mit wachsender
Tiefe und
Geschwindigkeit
BKE - Seismische Explorationsverfahren Teil 9 - Slide 10
• 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
BS Seismische Explorationsverfahren
Dr. B. Knapmeyer-Endrun 6
BKE - Seismische Explorationsverfahren Teil 9 - Slide 11
• 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
BKE - Seismische Explorationsverfahren Teil 9 - Slide 12
• 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
BS Seismische Explorationsverfahren
Dr. B. Knapmeyer-Endrun 7
BKE - Seismische Explorationsverfahren Teil 9 - Slide 13
• 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
BKE - Seismische Explorationsverfahren Teil 9 - Slide 14
Normal Move Out NMO
BS Seismische Explorationsverfahren
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BKE - Seismische Explorationsverfahren Teil 9 - Slide 15
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
BKE - Seismische Explorationsverfahren Teil 9 - Slide 16
– 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
Geschwindigkeitsanalyse
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
BS Seismische Explorationsverfahren
Dr. B. Knapmeyer-Endrun 9
BKE - Seismische Explorationsverfahren Teil 9 - Slide 17
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
BKE - Seismische Explorationsverfahren Teil 9 - Slide 18
Geschwindigkeitsanalyse (Beispiel)
http://sioseis.ucsd.edu/vpick-example.html
Sektion semblance Isolinienplot
BS Seismische Explorationsverfahren
Dr. B. Knapmeyer-Endrun 10
BKE - Seismische Explorationsverfahren Teil 9 - Slide 19
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
BKE - Seismische Explorationsverfahren Teil 9 - Slide 20
Mehrschichtfall
• RMS Geschwindigkeit
– root mean square velocity
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
BS Seismische Explorationsverfahren
Dr. B. Knapmeyer-Endrun 11
BKE - Seismische Explorationsverfahren Teil 9 - Slide 21
Mehrschichtfall • RMS-Geschwindigkeiten können aus den Hyperbeln bestimmt werden
und benutzt werden, um Intervall Geschwindigkeiten zu berechnen
• Intervall Geschwindigkeit
– interval velocity
• RMS Geschwindigkeit
– root mean square 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
BKE - Seismische Explorationsverfahren Teil 9 - Slide 22
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
BS Seismische Explorationsverfahren
Dr. B. Knapmeyer-Endrun 12
BKE - Seismische Explorationsverfahren Teil 9 - Slide 23
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
BKE - Seismische Explorationsverfahren Teil 9 - Slide 24
Frequenzfilterung
Ashton et al., Oilfield Review, 1994
BS Seismische Explorationsverfahren
Dr. B. Knapmeyer-Endrun 13
BKE - Seismische Explorationsverfahren Teil 9 - Slide 25
Auflösungsvermögen: vertikal
BKE - Seismische Explorationsverfahren Teil 9 - Slide 26
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
Auflösungsvermögen: vertikal
BS Seismische Explorationsverfahren
Dr. B. Knapmeyer-Endrun 14
BKE - Seismische Explorationsverfahren Teil 9 - Slide 27
v1
v2
v1
Auflösungsvermögen: vertikal
• 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
BKE - Seismische Explorationsverfahren Teil 9 - Slide 28
• 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
Auflösungsvermögen: vertikal
4
h
BS Seismische Explorationsverfahren
Dr. B. Knapmeyer-Endrun 15
BKE - Seismische Explorationsverfahren Teil 9 - Slide 29
• 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
BKE - Seismische Explorationsverfahren Teil 9 - Slide 30
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
BS Seismische Explorationsverfahren
Dr. B. Knapmeyer-Endrun 16
BKE - Seismische Explorationsverfahren Teil 9 - Slide 31
• 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
Auflösungsvermögen: vertikal
v v
z z
BKE - Seismische Explorationsverfahren Teil 9 - Slide 32
• 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
BS Seismische Explorationsverfahren
Dr. B. Knapmeyer-Endrun 17
BKE - Seismische Explorationsverfahren Teil 9 - Slide 33
• erste Fresnel Zone:
– 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
BKE - Seismische Explorationsverfahren Teil 9 - Slide 34
• erste Fresnel Zone:
– 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
BS Seismische Explorationsverfahren
Dr. B. Knapmeyer-Endrun 18
BKE - Seismische Explorationsverfahren Teil 9 - Slide 35
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
Time-varying filter
Gain
DISPLAY
BRUTE STACK DISPLAY
MIGRATION
Gain
DISPLAY
BKE - Seismische Explorationsverfahren Teil 9 - Slide 36
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
BS Seismische Explorationsverfahren
Dr. B. Knapmeyer-Endrun 19
BKE - Seismische Explorationsverfahren Teil 9 - Slide 37
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