Anlage flächenhafter reflexionsseismischer Messungen als Grundlage für 3D-seismische Bearbeitung

R. Bading

"Das 3 D-Migrations-Programm setzt ein regelmäßiges Netz von seismischen Spuren voraus, deren Abstand etwa 100 m beträgt. Die Spuren können dynamisch unkorrigiert oder skorrigiert oder auch gestapelt sein. Sie können auch aus einem unregelmäßigen Netz hergestellt worden sein, zum Beispiel aus ASP-Ouerneigungs-Bestimmungen. Das Programm liefert dreidimensional abgeleitete Schnitte beliebiger Richtung in Zeit-oder Tiefendarstellung.

Um ein sampie einer Ergebnisspur zu erhalten, wird jedes sampie jeder benachbarten Spur aus dem Umkreis einer anwählbaren Entfernung auf einer rotierenden Diffraktionskurve gestapelt." - Dies ist die übersetzung eines Zitates aus dem PRAKLA-SEISMOS-Prospekt: "Data Processing, Supplement No. 1", Seite 16. Das dort gezeigte Beispiel basiert auf einem synthetischen Modell. Unser 3 D-Migrations-Programm erwies sich als einsatzfähig, und das war der Grund dafür, daß wir bereits im Oktober 1974 eine entsprechende Information veröffentlichten. Inzwischen haben wir einige Erfahrung mit der Gewinnung der Feldaufnahme-Daten sammeln können, die für den Schritt von der Theorie zur Praxis erforderlich sind.

How to perform areal seismic reflection field work as aprerequisite for 3-D processing

"The 3-D migration program is based on a regular grid of seismic traces with a spacing of approx. 100 m. The traces may be dynamically uncorrected or corrected, also stacked. They mayaiso be produced from an irregular grid by interpolation, for example based on ASP cross-dip determinations. The program provides migrated sections determined 3-dimensionally in arbitrary direction in time or depth presentation. To construct a sampie of a resulting trace, every sampie of every surrounding trace within a selectable distance is stacked along a rotating diffraction curve."

Fig.2a:
Zeitprofil längs der punktierten Linien in Fig. 1
Time section along the dotted lines in fig. 1

Fig.2b:
2 D-Tiefenmigration des Zeitprofils in Fig. 2a
2-D depth migration of the time section in fig. 2a

Fig.2c:
3 D-Tiefenmigration des Zeitprofils in Fig. 2a
3-D depth migration of the time section in fig. 2a

Fig.3:
Schußpunkt-Traverse senkrecht zur Geophonlinie
Shotpoint Traverse perpendicular to the geophone line

Fig.4:
Aufnahmegeometrie (8 Linien mit 5 Schußpunkten)
Shot-Receiver Configuration (8 Lines with 5 SP's)

Fig.5:
Untergrundüberdeckung in 2 Richtungskomponenten
(2 x 3 = 6fach)
Subsurface Coverage split in two directional .Components

Fig. 6:
2 beliebige Untergrundspunkte (6fach COP) mit den
Distanzen der betreffenden Schuß/Empfängergruppen
2 arbitrary 6-fold CDP's with the respective distances
between shot/receiver pairs

Die Voraussetzung für eine 3 D-Bearbeitung -vor allem, wenn es sich um 3 D-Migration handelt -ist ein regelmäßiges Netz von seismischen Spuren, welches optimal durch eine systematische flächenhafte Untergrundsüberdeckung gewonnen wird. Bei den von uns durchgeführten Messungen hatte das Untergrund-Netz ein gleichabständiges Raster von 50 m in beiden Horizontalrichtungen x und y. Dieser Grad von flächenhafter Informationsdichte erfordert einen beträchtlichen finanziellen Aufwand und ungewöhnliche Maßnahmen im Gelände. Die Flächen bereits durchgeführter Messungen waren näherungsweise Quadrate von 4 km Seitenlänge mit 81 Untergrundsprofilen in der x-Richtung und je 81 Untergrundspunkte je Profil. Die sich daraus ergebende Zahl von Spuren ist 81 mal 81 = 6561 , wobei jede dieser Spuren das Bündel der jeweiligen Mehrfach-überdeckung dargestellt, die typischerweise 6fach, 12fach oder gar 24fach ist.

Man darf wohl annehmen, daß Forschungs-und Explorations-Abteilungen von Gesellschaften, die nach Öl, Gas oder Minerallagerstätten suchen, wissen, was sie tun, wenn sie solchen Aufwand treiben, um möglichst detaillierte Informationen aus dem Untergrund zu erhalten, die man sich durch Anwendung dreidimensionaler Migration verspricht. Man darf wohl auch annehmen, daß sie richtig liegen, wenn sie offensichtlich glauben, daß der heutige Stand der seismischen Exploration und Instrumente einen Langzeitwert derjenigen Daten garantiert, die auf diese Art flächenhafter Vermessung gewonnen werden, und daß dadurch eine leicht zugängliche Datenbank für jede Art und Richtung von 3 D-Migration geschaffen wird.

In der Tat muß man ein beträchtlich verbessertes Verhältnis von Nutz-zu-Störsignalen gegenüber einer 2 D-Migration erwarten, wenn es sich bewahrheitet, daß der Noise der seismischen Aufnahme und der Noise, der durch den Migrationsprozeß entsteht, statistischer Natur sind. Angenommen, 12 seismische Spuren beiderseits einer Resultatsspur würden für einen 2 D-Migrationsprozeß verwendet, dann wäre die entsprechende Zahl von Spuren für eine 3 D-Migration 12² . π = 455 Spuren (anstelle von 24). Die im Nutz/Störverhältnis zu erwartende Verbesserung würde

sein. Und das scheint der Mühe wert zu sein! Wie kommt man nun zu einem regelmäßigen Raster von Untergrund-Information? Der naheliegendste Weg, um von linienhafter zu gleichmäßig flächenhafter Information zu kommen wäre der, nebeneinander in 50 m Abständen ganz konventionell eine Linie nach der anderen zu vermessen; die Empfängergruppen-Abstände innerhalb der Linien würden 100 m betragen. Bei Verwendung eines 24spurigen Instruments und bei 6fach-überdeckung würde der Schußpunktabstand innerhalb einer Linie 200 m sein. Ein 6fach überdecktes Quadrat von 4 km Seitenlänge würde dann 25 Schußpunkte auf jeder dieser 81 Linien erfordern, mit zusammen 2025 Schußpunkten. Und das ist eine enorme Zahl!

Ein anderer Weg, der beschritten werden könnte, um zu einer flächenhaften überdeckung zu gelangen, wird in Fig. 3 aufgezeigt: Man nimmt eine Auslage von 24 Geophongruppen mit 100 m Gruppenabständen auf, von Schüssen, die auf einer Reihe senkrecht zur Auslage angelegt sind. 24 Schüsse in 100-m-Abständen, symmetrisch zur Geophonauslage angeordnet, würden 24 Profile mit je 24 Spuren ergeben, die sich zu 576 seismischen Spuren aufaddieren würden, gleichmäßig verteilt in 50 m Abständen über ein Quadrat im Untergrund von 1150 m Seitenlänge, zunächst allerdings nur in Einfachüberdeckung. Weitere 24 Schußpunkt-Traversen parallel zur ersten in aufeinanderfolgenden 200 m Abständen in Richtung des Arbeitsfortschrittes würden eine 6fach-überdeckung ergeben. Für einen Flächenstreifen von 1150 x 4000 m wären 24 x 25 = 600 Schußpunkte erforderlich, für ein Quadrat von 4 x 4 km, wie vorher, 2025 SP. Die seitlichen Abstände von 1200 m für die Maximaldistanz zwischen Geophonlinie und den äußersten Schußpunkten sind aber ungünstig, weil die Information aus dem oberen Bereich der betreffenden Profile dabei verloren geht. Der Vorteil eines solchen Verfahrens wäre der, daß nur vier statt 81 Geophonlinien ausgelegt und in Arbeitsrichtung vorwärts bewegt werden müßten, und dadurch eine Menge an Arbeitskraft und Zeit und damit Geld gespart würde. Immerhin, die Marschrichtung zu einer wirtschaftlicheren Arbeitsweise ist damit angezeigt.

Unsere Konzeption für eine flächenhafte reflexionsseismische Feldaufnahme beruht auf der Erfüllung der folgenden wesentlichen Forderungen; sie gewährt

• eine wirtschaftlich tragbare Methode bei der Gewinnung flächenhafter Untergrund-Information,
• optimale Anpassung der Feld-Parameter an das Aufschlußziel,
• günstigere Kon'figurationen von Strahlenweg-Längen innerhalb der COP-Familien, als normalerweise bei linienhafter Aufnahme erreichbar sind.

Die enorme Zahl von mehr als 2000 SP, die für eine 6fachüberdeckung einer Fläche von 4 x 4 km erforderlich ist, kann auf ein Viertel reduziert werden, wenn gleichzeitig zwei 48spurige Digitalapparaturen anstelle nur einer 24spurigen verwendet werden. Eine bloße Modifizierung einer konventionellen linienhaften Vermessung durch gleichzeitiges Aufnehmen von vier parallelen Linien würde -verglichen mit der Arbeit der Schieß-Mannschaft -die Arbeiten für die Geophonauslage vervierfachen. Vierfaches Linien-Schießen ist also wenig geeignet wegen der Unausgewogenheit der Arbeiten im Felde. Ein Schießen auf Traversen senkrecht zur Richtung des Meßfortschritts würde zwar eine bessere Balance zwischen den Arbeiten der Schieß-und Geophonmannschaften mit sich bringen. (Sechs anstelle von 24 Schüssen je Traverse würden gleichzeitig von 96 anstelle von 24 Empfängergruppen registriert werden können). Die übermäßig großen seitlichen Abstände würden jedoch bleiben wie zuvor. Diese Methode ist daher unannehmbar wegen des abstandsabhängigen unausgewogenen Informationsgehaltes der so erzeugten Profile.

Unsere Konzeption bietet nun nicht lediglich einen Kompromiß zwischen "wenig geeignet" und " unannehmbar", sondern sie gewährt sowohl eine Ausgewogenheit des Feldbetriebes als auch eine recht gleichmäßige Verteilung der seitlichen Abstände über die Gesamtheit der erzeugten Profile. Außerdem entsteht durch eine bessere Verteilung der NMO-Werte innerhalb der einzelnen CDP-Familien ein nicht unerheblicher Vorteil, der zur wirksameren Dämpfung multipler Reflexionen durch destruktive Interferenz beim Stapeln führt.

Diese Ansammlung von Vorteilen ist natürlich kein Zufall, sondern das Ergebnis der Vorstellung, schon bei der Datengewinnung die Mehrfach-Überdeckung in zwei Richtungskomponenten zu zerlegen ; sagen wir: vierfach in Linienrichtung x und dreifach in der Richtung senkrecht dazu (in y-Richtung), das ergibt 3 x 4 = 12fach flächenhaft; oder: 3fach in x-Richtung und 2fach in y-Richtung ergibt: 6fach flächenhaft. Für letzteres Beispiel geben die Figuren 4 und 5 die Illustration. Fig. 4 zeigt einen Streifen von acht Geophonlinien mit je 12 Empfängergruppen, Abstände zwischen den Linien und Geophongruppen jeweils 100 m, Schußpunktabstände auf den Traversen jeweils 400 m, die seitlichen Abstände (Offsets) zwischen Geophonlinien und Schußpunkten zwischen minimal 50 m und maximal 1150 m. Die Registrierung von fünf Schußpunkten auf acht Linien ergibt 5 x 8 = 40 Profile, die jeweils äußeren vier in Einfach-, die inneren 16 bereits in Zweifachüberdeckung. Das Raster aus Untergrund-Reflexionspunkten - CDP's in unserem Jargon - ist 50 m in x-und y-Richtung. Durch die Vorwärtsbewegung im Meßstreifen in 200 m Schritten zwischen aufeinanderfolgenden Schußpunkt-Traversen ergibt sich eine Dreifach-Überdeckung in Linie. Fig. 5 zeigt die betreffenden Überdeckungsdiagramme in bei den Richtungen, die flächenhaft eine 6fach-Überdeckung ergeben. Fig. 6 zeigt zwei beliebig herausgegriffene CDP's mit den Projektionen der betreffenden seismischen Strahlenwege, wobei die CDP's jeweils die Mittelpunkte der entsprechenden Paare von Sendern und Empfängern sind.

Günstigere Konfigurationen der Strahlenweg-Längen innerhalb der einzelnen CDP-Familien, verglichen mit linienhaften Messungen -was wir als einen wesentlichen Punkt unserer Konzeption angeführt hatten -sind die Voraussetzung zu wirksamerer Unterdrückung multipler Reflexionen. Bekanntlich nehmen die NMO-Zeitdifferenzen quadratisch mit den Abständen zwischen Sendern und Empfängern zu. Die Auftragung der Abstände, die bei den verschiedenen CDP-Familien auftreten, auf quadratisch geteiltem Papier - wie in Fig. 7 - zeigt die Verteilung der Δt-Werte über die betreffenden quadrierten Entfernungsbereiche. Bei diesem Typ von flächenhafter Überdeckung ergeben sich 16 verschiedene Sätze von CDP-Familien, verglichen mit nur zwei möglichen Sätzen bei linienhafter 6fach-Überdeckung. Infolge der Vielfalt von 16 CDP-Familien ergeben sich in den verschiedenen Profilen ganz verschiedene Reste multipler Reflexionen. Diese Reste kann man gewissermaßen als statistischen Noise betrachten, der bei der späteren Anwendung der 3 D-Migration weiter gedämpft wird; denn für diesen Prozeß werden -wie eingangs gesagt - die Spuren aus dem Bereich einer ganzen Kreisfläche herangezogen.

Die Anordnung von Sendern und Empfängern in zweckmäßiger flächenhafter Geometrie hilft bei der Lösung anspruchsvoller seismischer Probleme:

• Die Aufnahmegeometrie läßt sich dem Aufschlußziel anpassen,
• sie bewirkt überlegene Multiplen-Auslöschung,
• ihre Anwendung ist mit tragbarem finanziellen Aufwand möglich.
• Vor allem aber: Sie ist die Voraussetzung für eine saubere 3 D-Migration.

This is a quote from the PRAKLA-SEISMOS brochure "Data Processing, Supplement No. 1" page 16. The example displayed was based on a synthetic model. Our 3-D migration program had proved operational, and led to the advertising information given already in October 1974. Meanwhile we have gained so me experience in the acquisition of the field data needed for the transition from theory to practice.

The prerequisite for 3 D processing - in particular when 3-D migration is concerned - is a regular grid of seismic traces which is best provided by systematic areal subsurface coverage. In our practical cases subsurface gridding was 50 m in both horizontal directions x and y. This degree of areal information density requires considerable monetary expense and unusual effort in the fjeld. The areal extension of surveys actually performed was about 4 x 4 km, the number of subsurface profiles being 81 in x-direction and the number of subsurface points in the individual profiles likewise being 81. The resultant number of traces is 81 x 81 = 6561, each one being the gather of the respective multiplicity of coverage applied, typically 6-fold, 12-fold, or even 24-fold.

It may be supposed that research and exploration departments of companies searching for oil, gas, coal or minerals know what they are doing when investing such an effort in getting the most detailed information which is expected in particular after the 3-D migration process. And it may be supposed that they are right when they obviously assume that the present state of the art and of the seismic instrumentation stands for long-time value of the data acquired by this kind of areal survey which provides a data store of easy access for each kind and direction of 3-D migration. One must indeed expect a considerably enhanced signal-to-noise ratio compared to 2-D migration if it holds that the seismic noise recorded and the noise generated by the migration process are essentially statistical. Suppose, 12 seismic traces be employed from either side of a resulting trace in 2-D migration! then the respective number used for 3-D migration would amount to 12² . π = 455 traces (instead of 24). The enhancement to be expected in the signal-to-noise ratio would be

And that seems worthwhile for the effort invested. How to arrive at a regular grid of subsurface information? The most straightforward way to proceed from linearly to areallY equally distributed seismic information would be to survey side by side in 50 m spacing quite conventionally one line after the other, the receiver-group spacing along the lines being 100 m. Using a 24-trace instrument and 6-fold coverage, the emitter (SP) spacing along a line would be 200 m. An exact 4 x 4 km square covered 6-fold, would then require 25 SP's on each of the 81 lines, equalling 2025 SP's, a tremendous amount!

Another way to arrive at an areal coverage would be by recording on a 24-group spread at 100 m station intervals from shots arrayed along a row perpendicular to the spread (Fig. 3). 24 SP's at 100 m spacing arranged symmetrically to the geophone line would result in 24 profiles with 24 traces each, adding up to 576 seismic traces equally distributed at 50 m spacing over a subsurface square of side 1150 m, at first still in single coverage. 24 further SP-traverses parallel to the first one at subsequent 200 m intervals following in the direction of the working progress would yield a 6-fold coverage. For an areal strip of 1150 x 4000 manumber of 24 x 25 = 600 SP's would be required, for the 4 x 4 km square again 2025 SP's. The extreme lateral offsets of 1200 m between geophone line and the most distant shots on the SP-traverses are unfavourable, however, because the information on the early part of the respective profiles is lost. The advantage of such a procedure would be that only four instead of 81 geophone lines are laid out and moved in the direction of the survey progress, thus saving a lot of man-power, time, and thus: money. The direction to a more economical way is indicated.

Our concept for areal seismic reflection field recording is based on the following main postulates:
to provide

• an economical method in gathering the subsurface areal information,
• optimum field recording parameters matched to the prospect in question,
• a more favourable configuration within the anslng CDP-ray families (gathers) than is normally established by in-line recordings.

The tremendous number of more than 2000 SP's required for 6-fold coverage of a 4 x 4 km square can be reduced to a quarter, when two simultaneously recording 48-trace digital instruments are employed instead of a single 24-trace instrument. A mere modification of a conventional in-line survey by simultaneous recording on 4 parallel lines would quadruplicate the work for the receiver layout as compared to the shooting crew. Quadruple in-line shooting, therefore, is inconvenient because of the unbalanced fieldwork effort. Shooting on traverses perpendicular to the progress direction would involve a better balance between emitter and receiver crews. (Six instead of 24 shots per traverse recorded simultaneously by 96 instead of 24 receiver groups.) The excessively large lateraloffsets, however, would remain as before. This method is not acceptable because of the offset-dependant unbalanced information content of the profiles produced.

Our concept, now, does not offer just a compromise between "inconvenient" and "not acceptable", however, but it promises the balance in fieldwork and a fairly equal distribution of lateraloffsets on all of the profiles produced. Moreover, a considerable advantage is won by a better balance of the NMO-values within each COP gather, thus resulting in more effective multiple reflection attenuation after stacking.

This accumulation of favourable facts is not an accident, of course, but the consequence of the idea to already split the multiple-coverage acquisition in two components, say: 4-fold in line direction x and 3-fold perpendicular to line direction (y-direction), resulting in 3 x 4 = 12-fold areally; or: 3-fold in x and 2-fold in y, equalling to 6-fold areally. The latter example is illustrated in figures 4 and 5. Figure 4 shows a geophone-line layout strip of eight lines at 12 receiver groups each, line and geophone-group spacing being 100 m, SP-spacing on the traverses being 400 m, the lateraloffsets thus ranging from 50 m to 1150 m. Recording from 5 SP's provides 5 x 8 = 40 profiles, the outermost four each in single coverage, the inner 16 already in double coverage. The grid of subsurface reflection points - or: COP's in our jargon - is 50 m in x and y-directions. Moving along the strip in 200 m intervals between subsequent SP-traverses yields 3-fold coverage in line. Figure 5 shows the respective coverage diagrams in both components, summing up to 6-fold areally. Figure 6 shows two arbitrary COP's and the horizontal projections of the seismic reflection rays involved, the CDP's being the midpoints between the respective pairs of emitters and receivers.

More favourable configurations compared to in-line recordings within the individual CDP gathers - claimed to be an essential of our concept - provide superior multiplereflection suppression. As is weil known, the NMO delta times increase in a square function with the source-receiver distances. A plot of the distances of individual CDP-ray families as the one in figure 7 shows the distribution of the delta time values over the squared distance range involved. 16 different sets of CDP gathers are associated with this type of "6-fold areal" coverage, compared to only two configurations referring to "linear 6-fold". The 16 different CDP gathers constitute a diversity of configurations of multiple-reflection remainders in the individual profiles produced, thus causing a certain type of statistical noise which is subjected to attenuation by destructive interference involved when the later 3-D migration process is applied.

Properly designed areal geometry aids solution of sophisticated seismic problems. The respective source-receiver configuration is matched to the prospective target; it provides superior multiple cancellation, and it is applicable with reasonable economical means. In particular: it is the prerequisite for accurate 3-D migration processing.