DE4428346C2 - Seismische Prospektion mit Vibratorkennzeichnungsdekonvolution - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein der seismischen Prospektion dienendes Verfahren zum Verarbeiten seis­ mischer Daten und ist anwendbar auf die Verarbeitung von seismi­ schen Daten, die sich bei Verwendung eines am Land oder auf See eingesetzten seismischen Vibrators ergeben.

In der Öl- und Gasindustrie werden geophysikalische Unter­ suchungstechniken verwendet, um die Suche nach und die Aus­ wertung von unterirdischen Kohlenwasserstoffvorkommen zu unterstützen. Viele dieser geophysikalischen Untersuchungs­ techniken benutzen eine impulsartig wirkende seismische Quelle, beispielsweise Dynamit oder ein marines Luftge­ schütz, um ein seismisches Signal zu erzeugen, das sich in die Erde fortpflanzt und wenigstens teilweise durch unter­ irdische seismische Reflektoren (d. h. Schnittstellen zwi­ schen Untergrundformationen mit unterschiedlichen akusti­ schen Impedanzen) reflektiert werden. Die Reflexionen wer­ den von seismischen Detektoren aufgezeichnet, die an oder nahe der Erdoberfläche in einem Körper aus Wasser oder in bekannten Tiefen innerhalb von Bohrlöchern angeordnet sind. Die sich hieraus ergebenden seismischen Daten können wei­ terverarbeitet werden, um Informationen bezüglich der Stelle der unterirdischen Reflektoren und der physikali­ schen Eigenschaften der unterirdischen Formationen zu er­ halten.

Das Ziel jeder seismischen Datenverarbeitung besteht darin, aus den Daten soviel Informationen wie möglich hinsichtlich der unterirdischen Formationen zu gewinnen. Dieses Ziel könnte am besten erreicht werden, wenn die sich in die Erde fortgepflanzte Energie tatsächlich ein Impuls wäre. Wie Fachleuten auf dem einschlägigen Gebiet bekannt, weist ein idealer wahrer Impuls eine Null-Zeitdauer auf und enthält alle Frequenzen von Null bis unendlich bei gleicher Stärke und einer Phase von Null. Das reflektierte Signal würde dann die wahre "Impulsantwort" der Erde darstellen (d. h. die Antwort der Erde auf die Eingabe eines Impulses). Eine derartige Idealisierung kann selbstverständlich jedoch nicht tatsächlich erreicht werden. Das Signal, das in der Praxis mittels einer Impulsquelle typischerweise in die Erde eingebracht wird, weist eine kurze Zeitdauer auf (d. h. einige wenige Millisekunden), und ist bandlimitiert (d. h. enthält alle Frequenzen bis zu einer gewissen oberen Grenze), wobei jedoch die höheren Frequenzen relativ zu den niedrigeren gedämpft sind.

Das tatsächliche, von den seismischen Detektoren aufge­ zeichnete Signal kann als Konvolution des Signals darge­ stellt werden, das tatsächlich auf die Erde übertragen wor­ den ist mit der gewünschten Impulsantwort der Erde und ei­ ner Anzahl anderer Filteraktionen oder Ereignissen, bei­ spielsweise Vielfachreflexionen, die das Signal ändern, wenn es sich durch die Erde hindurch von der Quelle zum De­ tektor fortpflanzt. Um die Daten ordnungsgemäß zu interpre­ tieren, müssen die Impulsantwort der Erde vom aufgezeichne­ ten Signal getrennt und die störenden Effekte der anderen Filteraktionen entfernt werden. Dieser Verarbeitungsschritt wird im allgemeinen "Dekonvolution" genannt und seit vielen Jahren praktiziert. Es gibt einige unterschiedliche Arten der Dekonvolution. Zwei von diesen, die "adaptive" Dekonvo­ lution (ebenfalls bekannt als "statistische" oder "Voraus­ sage"-Dekonvolution) und die "deterministische" Dekonvolu­ tion, werden im nachfolgenden näher beschrieben.

Bei der konventionellen Verarbeitung seismischer Daten aus einer Impulsquelle wird typischerweise eine adaptive Dekon­ volution verwendet, bei der das Dekonvolutionsfilter entwe­ der im Zeit- oder Frequenzbereich von einem Bandbreiten- Schätzwert des Signals abgeleitet wird, das auf die Erde übertragen wird. Anders ausgedrückt, wird die Bandbreite des Signals aus den aufgezeichneten Daten geschätzt und ein Dekonvolutionsfilter abgeleitet, das auf die Daten aufge­ bracht werden kann, um einen Schätzwert für die Impulsant­ wort der Erde zu geben. Dieser Prozeß wird auch u. a. Spike-Dekonvolution, adaptives Weißen und adaptive Signal­ kürzung genannt.

Die adaptive Dekonvolution wird auch bei einer Vielzahl von anderen Verarbeitungsverfahren für seismische Daten verwen­ det. Beispielsweise besteht bei der seismischen Untersu­ chung von Meeren die sich in die Erde fortpflanzende Ener­ gie aus der direkt nach unten gehenden Energie sowie aus einer verzögerten Version des Originalsignals (d. h. ein Geistersignal), das durch Reflexion der nach oben gehenden Energie von der Wasseroberfläche erzeugt wird. Bei einer derartigen Situation enthalten die resultierenden seismi­ schen Daten sowohl Reflexionen des tatsächlichen Signals als auch Reflexionen des Geistersignals. Die adaptive De­ konvolution kann zur Herstellung eines "Entgeisterungs"- Filters verwendet werden, um die Geisterreflexionen aus den Daten zu entfernen. Ein weiteres Problem bei der seismi­ schen Untersuchung von Meeren ist die Ringbildung oder das Zurückwerfen der Energie innerhalb der Wasserschicht. Das Verfahren zur Entfernung dieser Rückstrahlungen aus den Da­ ten (Dereverberation) wird mittels der adaptiven Dekonvolu­ tion durchgeführt.

Im Gegensatz zur adaptiven Dekonvolution macht das Verfah­ ren der deterministischen Dekonvolution von einem bekannten Quellenspektrum Gebrauch. Anstatt das Quellenspektrum aus den aufgezeichneten Daten zu schätzen, können tatsächliche Messungen des Ausgangssignals an bestimmten Monitoren ge­ macht werden. Durch Verwendung dieses gemessenen Signals und der aufgezeichneten Daten ist es möglich, zu bestimmen, was das reflektierte Signal gewesen wäre, wenn das Ein­ gangssignal ein wahrer Impuls gewesen wäre (Arya und Hol­ den, "A Geophysical Application: Deconvolution of Seismic Data", Seiten 324-338, Digital Signal Processing, Western Periodicals Co., N. Hollywood, Calif., 1979). Diese deter­ ministische Dekonvolution kann dann von einer adaptiven De­ konvolution gefolgt werden, um einige der vorstehend erläu­ terten anderen Effekte zu kompensieren.

Das deterministische Dekonvolutionsverfahren von Arya und Holden weist einige Nachteile auf, die seine Einsatzmög­ lichkeit begrenzen. So ist die Messung des Ausgangssignals teuer und kann bei einer bestimmten Umgebung, wie bei­ spielsweise im Meer bei seichtem Wasser, sehr schwierig durchzuführen sein. Ferner ist eine zusätzliche Verarbei­ tung des auf den Monitoren aufgezeichneten Signals durch­ zuführen, bevor ein Dekonvolutionsfilter abgeleitet werden kann. Der Grund hierfür liegt darin, daß das von den Moni­ toren aufgezeichnete Signal um das Quellenstrahlungsmuster, die Geisterverzerrung und andere Effekte berichtigt werden muß, die sich aus seinem Durchtritt durch das Medium zwi­ schen der Quelle und dem Monitor ergeben.

In den späten 50er- und frühen 60er-Jahren ebnete Conoco Inc. die Entwicklung für eine neue Art einer geophysikali­ schen Untersuchungstechnik, die allgemein als "Vibroseis"- Untersuchung bekannt ist. Bei der Vibroseis-Untersuchung wird ein auf dem Land oder im Meer einsetzbarer seismischer Vibrator statt einer Impulsenergiequelle verwendet. Mittels des seismischen Vibrators wird ein gesteuerter Wellenzug erzeugt, der sich durch die Erde bis zu den seismischen De­ tektoren fortpflanzt. Typischerweise wird eine sinusförmige Schwingung einer sich kontinuierlich ändernden Frequenz auf die Erdoberfläche (oder in einen Wasserkörper) während ei­ ner Ablenk(sweep)-Dauer von 2 bis 20 Sekunden oder sogar mehr auf- bzw. eingebracht. Die Frequenz kann linear oder nichtlinear mit der Zeit geändert werden. Weiterhin kann die Frequenz auch niedrig beginnen und mit der Zeit anwach­ sen (Ablenkung nach oben - upsweep) oder kann hoch beginnen und sich schrittweise verringern (Ablenkung nach unten - downsweep).

Gemäß der nachveröffentlichten US 53 47 494 ist eine neue Signalart entwickelt worden, die als "ge­ formte Ablenkung" (shaped-sweep) zeichenbar ist. Ein Vor­ teil bei der Verwendung einer geformten Ablenkung besteht darin, daß die Ablenkung so ausgebildet ist, daß sie eine optimale Impulslänge und ein wünschenswertes Impulsantwort­ spektrum aufweist, die die darauffolgende Datenverarbeitung erleichtert.

Die während der Vibroseis-Untersuchung aufgezeichneten seismischen Daten (im folgenden "Vibratordaten" genannt) sind ein zusammengesetztes Signal, das aus vielen langen reflektierten Wellenzügen besteht, die einander überlagern. Da dieses zusammengesetzte Signal typischerweise um ein Vielfaches länger ist als das Intervall zwischen den Refle­ xionen, ist es nicht möglich, einzelne Reflexionen auf dem aufgezeichneten Signal zu unterscheiden. Ein erster Schritt besteht daher bei der konventionellen Verarbeitung von Vi­ bratordaten darin, eine Kreuzkorrelation der aufgezeichne­ ten Daten mit dem Ablenkungssignal durchzuführen (Kirk, P., "Vibroseis Processing", Kapitel 2 aus Developments in Geo­ physical Exploration Methods--2, herausgegeben von A. Fitch, Applied Science Publishers Ltd., London, 1981, Sei­ ten 37-52). Diese Kreuzkorrelation komprimiert die Länge der Impulsantwort der Daten von einigen Sekunden auf einige Zehnfache von Millisekunden, so daß die korrelierten Daten sich denjenigen Daten annähern, die aufgezeichnet worden wären, wenn die Quelle eine Impulsquelle gewesen wäre.

Nach dieser Kreuzkorrelation kann die Verarbeitung der Vi­ bratordaten in vielerlei Hinsicht in der gleichen Weise wie die Verarbeitung von Daten einer Impulsquelle fortgeführt werden.

Die Verarbeitung mittels Kreuzkorrelation hat einige uner­ wünschte Folgen. Die kreuzkorrelierten Daten repräsentieren die Antwort der Erde auf die Autokorrelation des Eingangs­ signals statt auf das Eingangssignal selbst. In anderen Worten hat das Verfahren mittels Kreuzkorrelation Daten mit einer Nullphase zur Folge. Aufgrund dieses Sachverhalts sind die Daten nicht mehr länger kausal (d. h. haben einen definierten Zeitanfang), sondern sind nicht-kausal (d. h. die Auswirkungen eines Reflektors machen sich bemerkbar, bevor das Signal ihn erreicht). Andere üblicherweise zur Verarbeitung seismischer Daten verwendete Verfahren, bei­ spielsweise die Dereverberation, nehmen die Kausalität an, wobei die in diesen Verfahren abgeleiteten Filter hinsicht­ lich nicht-kausaler Daten unkorrekt sein können. Eine zweite praktische Beschränkung des Verfahrens mittels Kreuzkorrelation besteht darin, daß ein bestimmtes Maß an Zusammenlaufen des Frequenzspektrums des Vibroseis-Signals notwendig ist. Da das Verfahren mittels Kreuzkorrelation das Amplitudenspektrum des Signals quadriert, wird das Zu­ sammenlaufen in den korrelierten Daten hervorgehoben. Dies hat die unerwünschte Folge, daß im Zeitbereich ein langes herausgezogenes Signal erzeugt wird, das zur Ringbildung neigt und die Auswertung der Daten erschwert. Obwohl das Verfahren mittels Kreuzkorrelation die Länge der Datenim­ pulsantwort drastisch reduziert, hat die weitere Kompres­ sion zur genaueren Annäherung an einen wahren Impuls schär­ fere, klarere seismische Bilder mit einer höheren Auflösung zur Folge, als dies gegenwärtig mit Vibratordaten möglich ist.

Aus DE 27 42 374 C2 ist ein Verfahren zur seismischen Un­ tersuchung des Untergrundes mit definierten, reproduzierba­ ren, aus Teilabschnitten bestehenden Signalen bekannt, bei dem diese Teilabschnitte aus Elementen einer zumindest binär kodierten Reihe bestehen, die Signale in den Untergrund ab­ gesandt werden und eine Detektoranordnung an der Erdober­ fläche aus dem Untergrund kommende Signale aufnimmt, die danach einer Registriereinrichtung zugeleitet werden, in der durch Korrelation von ausgesandten und aufgenommenen Signalen Seismogramme herstellbar sind, wobei für jede De­ tektoranordnung mindestens zwei derartige Signale ausge­ sandt werden und die Teilabschnitte dieser Signale zwei komplimentare Reihen bilden.

Aus der DE-AS 15 48 492 ist ein Verfahren zur Analyse und zum Transformieren einer bereits vorliegenden reflexions­ seismischen Aufzeichnung in eine andere bekannt, bei der ein Operator zum Zwecke der Konvolution auf ein Eingangssi­ gnal angewendet wird, wobei als Operator ein Wiener-Opera­ tor verwendet wird.

US-47 68 174 beschreibt ein Verfahren zur Erzeugung und Aufzeichnung von Vibrationen in einer Erdformation, wobei die aufgenommenen Signale unter Einsatz periodischer Ab­ tastbeziehungen verarbeitet werden. Das Verfahren ist be­ sonders geeignet in städtischen Bereichen, in welchen In­ tensität und Frequenzbereich einer seismischen Vibrator­ quelle eingeschränkt sind.

Die US 40 69 470 beschreibt die Erzeugung eines Signals zum seismischen Prospektieren, welches innerhalb einer jeden Periode eine sich nicht wiederholende Form besitzt, wobei jede Periode eine Zeitdauer aufweist, die nicht geringer ist, als die Zeitdauer, die erforderlich ist, bis die seis­ mische Welle bis zum tiefsten Punkt der interessierenden Formation und zurückgelaufen ist.

Schließlich werden in Erdöl und Kohle-Erdgas-Petrochemie vereinigt mit Brennstoff-Chemie, Bd. 37, Heft 8, August 1984, Seiten 343-356, Verfahren für die seismische Daten­ verarbeitung beschrieben, ohne daß sich hieraus jedoch eine spezielle Verknüpfung einer Impulsantwort, einer Kennzeich­ nung und einer deterministischen Dekonvolution ergibt.

Aus den vorstehenden Ausführungen ist ersichtlich, daß ein Bedürfnis für ein Verfahren zum Bestimmen der Impulsantwort der Erde bei der Verarbeitung seismischer Vibratordaten be­ steht, das die vorstehend beschriebenen Probleme löst, die sich aus dem Verfahren mittels Kreuzkorrelation ergeben.

Die gestellte Aufgabe wird durch ein Verfahren nach dem Hauptanspruch gelöst, wobei hinsichtlich bevorzugter Aus­ führungsformen auf die Merkmale der Unteransprüche verwie­ sen wird. Es handelt sich hierbei um ein der seismischen Prospektion dienendes Verfahren zur Ver­ arbeitung seismischer Daten, die auf die Betätigung eines seismischen Vibrators mittels eines Steuersignals zurückge­ hen, wobei a) für die seismischen Daten eine Impulsantwort, sowie b) eine Kennzeichnung vorgegeben sind und c) mittels der Impulsantwort und der Kennzeichnung ein Dekonvolutions­ filter gestaltet und eine d) deterministische Dekonvolution der seismischen Daten unter Verwendung dieses Dekonvoluti­ onsfilters durchgeführt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann entweder anstelle oder zusätzlich zur Kreuzkorrelation verwendet werden. Für unkorrelierte Daten wird das Vibrator-Pilotsignal (Ablen­ kungssignal) als Kennzeichnung verwendet. Für korrelierte Daten ist die Kennzeichnung die Autokorrelation des Pilot­ signals. Für landbezogene seismische Daten sollten diese Kennzeichnungen vorzugsweise um 90° gedreht werden, um die Impulsantwort des Datensammlungssystems zu repräsentieren.

Die gewünschte Impulsantwort der Daten wird so gewählt, daß die Länge des Impulses im Zeitbereich wesentlich verringert wird. Optional kann eine Phasendrift auf das Impulsantwort­ spektrum aufgebracht werden, um die nachfolgenden Datenver­ arbeitungsschritte zu erleichtern.

Da sowohl die gewünschte Impulsantwort als auch das Vibra­ torpilotsignal bekannt sind, bevor die Untersuchung tatsächlich durchgeführt wird, kann das Dekonvolutionsfil­ ter im Voraus gestaltet und auf die Daten im Feld angewen­ det werden, wenn sie gesammelt sind. Alternativ hierzu kann das erfindungsgemäße Verfahren in einem Datenverarbeitungs­ zentrum praktiziert werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung bei­ spielsweise näher erläutert. In dieser zeigen:

Fig. 1 ein Flußdiagramm zur Darstellung der vorliegen­ den Erfindung im allgemeinen,

Fig. 2 ein Flußdiagramm, anhand dessen der Einsatz der Erfindung im Frequenzbereich für unkorrelierte Daten gezeigt wird,

Fig. 3 ein Flußdiagramm, anhand dessen der Einsatz der Erfindung im Frequenzbereich für korrelierte Da­ ten gezeigt wird,

Fig. 4 das theoretische Impulsantwortspektrum für einen Impuls mit minimaler Länge für einen begrenzten Bereich von Frequenzen und

Fig. 5 das bevorzugte Impulsantwortspektrum für einen Impuls mit minimaler Länge für einen begrenzten Bereich von Frequenzen.

Wie vorstehend bereits ausgeführt wurde, besteht der erste Schritt bei der konventionellen Verarbeitung land- oder meeresbezogener seismischer Vibratordaten darin, die Daten mit dem Eingangs-Ablenkungssignal zu kreuzkorrelieren. Diese Kreuzkorrelation hat eine Komprimierung der Im­ pulsantwort der Daten zur Folge, so daß sie Daten angenä­ hert sind, die von einer Impulsenergiequelle erzeugt wer­ den. Nach der Kreuzkorrelation kann die Datenverarbeitung vielfach in der gleichen Weise fortgeführt werden, wie dies bei anderen Arten seismischer Daten der Fall ist.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die gewünschte Komprimierung der Impulsantwort durch eine deterministische Kennzeichnungsdekonvolution der unkorre­ lierten Daten anstatt durch eine Kreuzkorrelation erreicht. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die deterministische Kennzeichnungsdekonvolution nach der Kreuzkorrelation durchgeführt, um die Impulsantwort der Da­ ten weiter zu komprimieren. Diese und weitere Ausführungs­ formen der Erfindung ergeben sich für Fachleute auf dem Ge­ biet der Verarbeitung seismischer Daten anhand der hier of­ fenbarten Lehren.

Die vorliegende Erfindung kann bei jeder Art von land- oder seebezogenen seismischen Untersuchungen verwendet werden, die einen Vibrator als Energiequelle verwenden, einschließ­ lich seismischen Oberflächenuntersuchungen, vertikalen seismischen Profiluntersuchungen und umgekehrten vertikalen seismischen Profiluntersuchungen, sowie tomographischen Querlochuntersuchungen. Die Verwendung einer deterministi­ schen Kennzeichungsdekonvolution anstelle oder zusätzlich zu einer üblichen Kreuzkorrelation hat kürzere, schärfere Impulse zur Folge als dies bei Verwendung der Kreuzkorrela­ tion allein möglich ist. Folglich erleichtert die vorlie­ gende Erfindung die bessere Durchführbarkeit nachfolgender Datenverarbeitungsschritte, die ihrerseits zu schärferen, klareren seismischen Bildern führt. Insbesondere werden die Wiener statistische Dekonvolution, das Stapeln und die Mi­ gration verbessert, wenn die Impulsantwort der Daten ge­ kürzt wird. Schärfere seismische Bilder führen zu einer de­ taillierteren und genaueren seismischen Interpretation und folglich zu besseren Berechnungen von Reserven und geringe­ ren Bohrrisiken. Da die deterministische Kennzeichnungsde­ konvolution auf der gewünschten Impulsantwort und dem Ein­ gangsablenkungssignal basiert, die beide bekannt sind, be­ vor die Untersuchung tatsächlich durchgeführt wird, kann ferner das Dekonvolutionsfilter im voraus gestaltet und auf die Daten im Feld angewendet werden, wenn sie gesammelt sind. Alternativ hierzu kann das erfindungsgemäße Verfahren in einem Datenverarbeitungszentrum angewendet werden, nach­ dem die Daten gesammelt worden sind. Diese und weitere Vor­ teile der Erfindung werden erreicht, ohne daß die Datenver­ arbeitungskosten bedeutend zunehmen.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, umfaßt das erfindungsgemäße Verfahren in der breitesten Ausführungsform die folgenden Schritte: Bestimmen der Kennzeichnung für die seismischen Daten 100, Auswählen einer gewünschten Impulsantwort für die Daten 110, Verwenden der gewünschten Impulsantwort und der Kennzeichnung zur Gestaltung eines Dekonvolutionsfil­ ters 120, sowie Durchführen einer deterministischen Kenn­ zeichnungsdekonvolution der Daten unter Verwendung des De­ konvolutionsfilters 130. Die ersten zwei Schritte des er­ findungsgemäßen Verfahrens sind unabhängig voneinander und können gleichzeitig oder in irgendeiner Reihenfolge durch­ geführt werden.

Wie dem Fachmann auf dem Gebiet der seismischen Datenverar­ beitung bekannt kann das erfindungsgemäße Verfahren einge­ setzt werden erstens im Zeitbereich unter Verwendung von bei­ spielsweise der Wiener Normalgleichungen (siehe beisp. Ro­ binson und Treitel, Geophysical Signal Analysis, Prentice- Hall, Inc., Englewood Cliffs, New Jersey, 1980) oder zweitens im Frequenzbereich unter Verwendung von Fourier-Analy­ severfahren. Es wird angenommen, daß der Einsatz im Fre­ quenzbereich vorteilhaft ist, da die Dekonvolution im all­ gemeinen im Frequenzbereich wirksamer als im Zeitbereich ist. Zusätzlich ist die gewünschte Impulsantwort üblicher­ weise im Frequenzbereich einfacher als im Zeitbereich zu spezifizieren. Ferner kann Rauschen, das im Frequenzbereich zum Stabilisieren der Dekonvolution hinzugefügt wird, der­ art eingesetzt werden, daß lediglich das Amplitudenspektrum des Signals verzerrt wird, während die Dekonvolution im Zeitbereich Rauschen hinzufügt, das sowohl die Amplitude als auch die Phase des Signals verzerrt. Die folgende Be­ schreibung der Erfindung ist daher auf die Ausführung im Frequenzbereich gerichtet. Die Ausführung der Erfindung im Zeitbereich ergibt sich für den Fachmann auf dem einschlä­ gigen Gebiet auf der Basis der folgenden Beschreibung der Ausführung im Frequenzbereich.

Die Fig. 2 und 3 zeigen die Ausführung der Erfindung im Frequenzbereich für unkorrelierte bzw. korrelierte Daten. Für unkorrelierte Vibratordaten besteht die Kennzeichnung aus dem Vibratorpilotsignal (d. h. dem Ablenkungssignal). Für korrelierte Daten besteht die Kennzeichnung aus der Au­ tokorrelation des Pilotsignals. Im Falle landbezogener seismischer Daten sollten diese Kennzeichnungen vorzugs­ weise um 90° gedreht werden, um die Impulsantwort des Da­ tensammlungssystems zu repräsentieren. Diese 90°-Drehung ist aufgrund der Tatsache erforderlich, daß die Pilotablen­ kung verwendet wird, um die Kraft auf der Vibratorbasis­ platte anzutreiben. Die vom Datensammlungssystem aufge­ zeichneten seismischen Daten sind jedoch proportional zur Geschwindigkeit des Signals. Es ist bekannte daß die Schallgeschwindigkeit mit der Ableitung der Kraft auf die Vibratorbasisplatte im Verhältnis steht, die die 90°-Drehung ergibt (Miller und Pursey, "The Field and Ra­ diation Pattern of Mechnical Radiators on the Free Surface of a Semi-Infinite Isotropic Solid", Proceedings of the Royal Society (London), Ser. A, 223, Seiten 521-541, 1954).

Die Ausführung dieser 90°-Drehung ist dem Fachmann auf dem einschlägigen Gebiet bekannt und wird daher im folgenden nicht weiter beschrieben.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, besteht der erste Schritt, der mit 200 bezeichnet ist, darin, das Ablenkungssignal S(t) als die Kennzeichnung für die Daten auszuwählen. Das Ablen­ kungssignal besteht aus dem elektronischen Signal, das ver­ wendet wird, um den Vibrator zu steuern und ist, wie vor­ stehend erläutert, typischerweise ein sinusförmiges Signal mit sich kontinuierlich ändernder Frequenz. Auch im Fall von landbezogenen seismischen Daten sollte die vorstehend beschriebene 90°-Drehung vorzugsweise auf das Ablenkungssi­ gnal angewendet werden. Der nächste Schritt, der mit 202 bezeichnet ist, besteht darin, eine Fourier-Transformation (oder eine schnelle Fourier-Transformation) des Ablenkungs­ signals S(t) durchzuführen, um das Leistungsspektrum für das Ablenkungssignal A²(f) zu erhalten. Wie dem Fachmann auf dem einschlägigen Gebiet bekannt, kann das Leistungs­ spektrum gewisse Frequenzen aufweisen, bei denen sein Wert Null ist. Es wird deshalb, wie bei 204 angegeben, ein Rauschfaktor n zum Leistungsspektrum hinzugefügt, um die Spektralteilung zu stabilisieren, wie nachfolgend näher be­ schrieben wird. Weiterhin wird auch die Quadratwurzel der Summe des Leistungsspektrums und des Raschfaktors zur Ver­ wendung bei der nachfolgend beschriebenen Spektralteilung bestimmt. Im Schritt 206 wird das Ergebnis aus Schritt 204 phasenverschoben, indem es mittels eines Phasenverschie­ bungsfaktors e^{-i Φ (f)} geteilt wird, wie dem Fachmann auf dem einschlägigen Gebiet bekannt. Im Phasenverschiebungsfaktor ist Φ(f) das Phasenspektrum der Kennzeichnung.

Parallel zu den Schritten 200, 202, 204 und 206 wird das gewünschte Impulsantwortspektrum der Erde D(f) ausgewählt, wie bei 210 angegeben. D(f) wird durch ein Amplitudenspek­ trum als Funktion der Frequenz spezifiziert. Zusätzlich kann es wünschenswert sein, auf das gewünschte Impulsant­ wortspektrum einen optionalen Phasendrift aufzubringen, wie bei 212 angegeben, um nachfolgende Datenverarbeitungs­ schritte zu erleichtern. Die Wahl des Impulsantwortspek­ trums und der optionale Phasendrift wird nachfolgend näher erläutert.

Als nächstes wird eine Spektralteilung durchgeführt, wie bei 220 angegeben, um das Dekonvolutionsfilter F(f) zu er­ halten. Bei jeder Frequenz besteht das Filter aus dem Ver­ hältnis von zwei Zahlen. Der Zähler besteht aus der ge­ wünschten Impulsantwort (mit optionalem Phasendrift), wäh­ rend der Nenner aus der Quadratwurzel des Leistungsspek­ trums des Ablenkungssignals (mit dem hinzugefügten Rausch­ faktor), geteilt durch den Phasenverschiebungsfaktor, be­ steht. Mathematisch kann dies folgendermaßen ausgedrückt werden:

Die Formel (1a) kann folgendermaßen umgestellt werden:

Anschließend wird das Dekonvolutionsfilter verwendet, um die unkorrelierten Daten zu filtern (zu dekonvolvieren), wie bei 230 angegeben.

Wie vorstehend erläutert, zeigt Fig. 3 die Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens im Frequenzbereich für korre­ lierte Daten. Wie bei den unkorrelierten Daten besteht der erste Schritt 300 darin, das Ablenkungssignal S(t) auszu­ wählen. Der nächste Schritt 301 besteht darin, das Ablen­ kungssignal zu autokorrelieren. Anschließend wird eine Fou­ rier-Transformation (oder schnelle Fourier-Transformation) der Autokorrelation des Ablenkungssignals durchgeführt, wie bei 302 angegeben, um das Leistungsspektrum A²(f) zu erhal­ ten. Das Dekonvolutionsfilter F(f), das sich aus der Spek­ tralteilung 320 ergibt, wird dann auf die korrelierten Da­ ten aufgelegt, wie bei 330 angegeben. Alle weiteren Schritte (304, 306, 310 und 312) sind identisch zu denjeni­ gen, die vorstehend mit Bezug auf die unkorrelierten Daten beschrieben worden sind.

Die gewünschte bzw. vorzugebende Impulsantwort D(f) umfaßt ein Amplitudenspektrum, das die Amplitude der gewünschten Welle (wavelet) als Funktion der Frequenz spezifiziert. Die Impulsantwort sollte derart gewählt werden, daß die Länge des Impulses im Zeitbereich wesentlich reduziert wird. Dies führt zu einer optimalen Trennung einer großen Vielzahl von Ereignissen auf dem seismischen Bild. Für einen endlichen Frequenzbereich kann die Impulsantwort, die die minimale Impulslänge ergibt, aus der folgenden Gleichung bestimmt werden:

wobei f die Frequenz ist, f₁ die niedrigste Frequenz im Frequenzbereich und f_h die höchste Frequenz im Frequenzbe­ reich (siehe Berkhout, Seismic Resolution, Geophysical Press, London, England 1984). Fig. 4 zeigt das Amplituden­ spektrum, das sich aus der Gleichung (2) ergibt. Das Zeit­ bereich-Äquivalent dieses Spektrums weist einen sehr kurzen Impuls auf und ist aufgrund seiner hohen Auflösung für die seismische Auswertung höchst wünschenswert.

Obwohl sich aus der Gleichung (2) theoretisch der kürzest mögliche Impuls für den spezifizierten Frequenzbereich er­ gibt, neigt der Impuls zur "Ringbildung". In anderen Worten weist die Zeitbereich-Darstellung des Impulses viele seit­ liche Keulen und Null-Durchgänge auf, die nur langsam ver­ fallen. In der Praxis hat sich ergeben, daß bessere Ergeb­ nisse erhalten werden, wenn D(f) aus den folgenden Glei­ chungen bestimmt wird:

wobei f₃ = f₁ + 0.4(f_h - f₁) und f₄ = f_h - 0.4(f_h - f₁) Frequenzen darstellen, die ein 20% flaches Spektrum zwi­ schen der unteren und oberen Grenze f₁ und f_h definieren. Das Amplitudenspektrum, das sich aus den Gleichungen (3) bis (6) ergibt, ist in Fig. 5 dargestellt. Das Zeitbereich- Äquivalent dieses Amplitudenspektrums weist ebenso einen sehr kurzen Impuls auf und ist aufgrund seiner hohen Auflö­ sung für die seismische Interpretation höchst wünschens­ wert. Aus dem Quadrieren des Spektrums ergeben sich zwei Dinge. Erstens wird hierdurch die Schleife (d. h. die erste Ableitung) des Spektrums an den Grenzen kontinuierlich ge­ macht, was bedeutet, daß die Diskontinuität an den niedrig­ sten und höchsten Frequenzen von höherer Ordnung ist und infolgedessen zu einer geringeren Ringbildung im resultie­ renden Impuls führt. Zweitens bedeutet in der Praxis die niedrigere Abschneiderate bei den niedrigsten und höchsten Frequenzen, daß ein niedrigeres f₁ und ein höheres f_h bei Verwendung der Gleichungen (3) bis (6) gewählt werden kann, als dies bei Verwendung der Gleichung (2) möglich wäre, wie im folgenden näher beschrieben wird.

Eine Vibratorablenkung erzeugt typischerweise Frequenzen oberhalb und unterhalb des "Ablenkungsbereichs". Infolge­ dessen können f₁ und f_h niedriger bzw. höher als der Ablen­ kungsbereich gewählt werden. Die schnellere Abschneidrate der Gleichungen (3) und (5) erlaubt es, daß f₁ und f_h sogar niedriger bzw. höher herausgegriffen werden können, als dies die Gleichung (2) erlaubt. Diese Extrabandbreite wiegt die Tatsache auf, daß die Gleichungen (3) bis (6) theore­ tisch einen längeren Impuls als die Gleichung (2) für den gleichen Frequenzbereich ergeben. In der Praxis ist der Im­ puls aus den Gleichungen (3) bis (6) so kurz oder kürzer als der Impuls aus der Gleichung (2), wobei er jedoch weni­ ger ringbildend ist.

Wie vorstehend erläutert, kann es wünschenswert sein, eine Phasendrift (Schritt 212 in Fig. 2 und Schritt 312 in Fig. 3) auf das gewünschte Impulsantwortspektrum aufzubringen. Der Zweck dieser Phasendrift besteht darin, das Impulsantwortspektrum von einer Null-Phase in eine Minimum- Phase bzw. in eine minimale Phase zu ändern (d. h. kausal, aber mit einem Phasenspektrum, das die Zeitdauer der Im­ pulsantwort minimiert). Dies erleichtert die nachfolgende Verarbeitung der Daten. Beispielsweise nimmt die Wiener Voraussagedekonvolution, die zur Entfernung von Vielfachre­ flexionen aus den Daten verwendet wird, üblicherweise an, daß die Daten eine Minimalphase sind. Bei der Vorbereitung zur Durchführung dieses Schrittes ist es daher vorteilhaft, das Phasenspektrum der gewünschten Impulsantwort zur Minim­ alphase zu machen. Ein Minimalphasenspektrum kann berechnet werden, indem die Hilbert-Transformation des natürlichen Logarithmus des Amplitudenspektrums genommen wird, wie dem Fachmann auf dem Gebiet der seismischen Datenverarbeitung bekannt (siehe bspw. Oppenheim und Schafer, Digital Signal Processing, Prentice-Hall, Inc., Englewood Cliffs, New Jer­ sey, 1975). Das Aufbringen einer Phasendrift auf das ge­ wünschte Impulsantwortspektrum wird daher im nachfolgenden nicht näher beschrieben.

Die vorliegende Erfindung kann auf alle Arten land- oder seebezogener Vibratordaten angewendet werden, einschließ­ lich solcher, die sich aus der oben angeführten neuen Tech­ nologie mit geformter Ablenkung ergeben. Für Daten mit ge­ formter Ablenkung ist es jedoch nicht erforderlich, die Gleichungen (3) bis (6) zu verwenden, um die gewünschte Im­ pulsantwort für die Daten zu bestimmen, da das Amplituden­ spektrum von Daten mit geformter Ablenkung bereits ein Op­ timum darstellt. Für Daten mit geformter Ablenkung ist es nur erforderlich, eine deterministische Kennzeichnungsde­ konvolution der Daten durchzuführen und, optional, die Phase zur Minimalphase zu ändern. Für landbezogene seismi­ sche Daten sollte vorzugsweise die oben erläuterte 90°-Dre­ hung vorgenommen werden.

Die oben angeführten Gleichungen dienen lediglich als bei­ spielhafte Gleichungen, die für die Frequenzbereich-Aus­ führung der Erfindung verwendet werden können. Die Erfin­ dung kann jedoch auch, wie oben angeführt, im Zeitbereich ausgeführt werden.

Claims (8)

1. Der seismischen Prospektion dienendes Verfahren zur Verarbeitung seismischer Daten, die auf die Betätigung eines seismischen Vibrators mittels eines Steuersignals zurückgehen, wobei

• a) für die seismischen Daten eine Impulsantwort sowie
• b) eine Kennzeichnung vorgegeben sind und
• c) mittels der Impulsantwort und der Kennzeichnung ein Dekonvolutionsfilter gestaltet und eine
• d) deterministische Dekonvolution der seismischen Daten un­ ter Verwendung dieses Dekonvolutionsfilters durchge­ führt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kennzeichnung aus dem Steuersignal für den seismi­ schen Vibrator besteht.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die seismischen Daten aus kreuzkorrelierten seismischen Daten bestehen und die Kennzeichnung aus der Autokorrela­ tion des Steuersignals für den seismischen Vibrator be­ steht.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsantwort für die seis­ mischen Daten nach der folgenden Formel gebildet wird: wobei D(f) die Impulsantwort als Funktion der Frequenz, f die Frequenz, f₁ die niedrigste Frequenz der seismischen Daten und f_h die höchste Frequenz der seismischen Daten sind.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsantwort für die seismischen Daten nach der folgenden Formel gebildet wird: wobei D(f) die Impulsantwort als Funktion der Frequenz, f die Frequenz, f₁ die niedrigste Frequenz der seismischen Daten, f_h die höchste Frequenz der seismischen Daten sind und überdies die Beziehungen f₃ = f₁ + 0,4(f_h - f₁) und f₄ = f_h - 0,4(f_h - f₁) gelten.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Phasenspektrum der Impulsantwort die Minimumphase ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Dekonvolutionsfilter im Frequenzbe­ reich nach der folgenden Formel bemessen wird: wobei F(f) das Dekonvolutionsfilter als Funktion der Fre­ quenz, D(f) die Impulsantwort als Funktion der Frequenz, Φ(f) das Phasenspektrum der Kennzeichnung, A²(f) das Lei­ stungsspektrum der Kennzeichnung und n der Rauschfaktor, der zur Stabilisierung der Teilung hinzugefügt wird, sind.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Dekonvolutionsfilter im Zeitbereich unter Verwendung der Wiener Normalgleichungen bemessen wird.