(12) SØKNAD (19) NO (21) 16039 (13) A1 NORGE (1) Int Cl. G01V 1/36 (06.01) Patentstyret (21) Søknadsnr 16039 (86) Int.inng.dag og søknadsnr (22) Inng.dag 16.03.08 (8) Videreføringsdag (24) Løpedag 0.02.01 (30) Prioritet 04.03.03, US, 792 (41) Alm.tilgj 0.09.0 (62) Avdelt fra 0030, med inndato 0.02.01 (73) Innehaver PGS Americas, Inc., 160 Bakers's Point Lane, Suite 600, US-TX77079 HOUSTON, USA (72) Oppfinner Claes Nicolai Børresen, 642 Cranfield Drive, US-TX7740 KATY, USA Stig Rune Lennart Tenghamn, 3303 Sage Terrace, US-TX7740 KATY, USA Svein Vaage, c/o Petroleum Geo-Services, 160 Baker's Point Lane, Suite 600, US-TX77079 HOUSTON, USA (74) Fullmektig Acapo AS, Postboks 1880 Nordnes, 817 BERGEN, Norge (4) Benevnelse Fremgangsmåte for å kombinere signaler fra trykksensorer og partikkelbevegelsessensorer i marine seismiske streamere (7) Sammendrag Signaler fra trykksensorer og partikkelbevegelsessensorer plassert i en marinseismisk lyttekabel kombineres for å generere trykksensordata og partikkelbevegelsesdata med i det vesentlige den samme store båndbredden. Den støybefengte lavfrekvensdelen av bevegelsessignalene beregnes fra de registrerte trykksignalene og flettes med det støyfrie bevegelsessignalet. De to bredbåndede datasettene kan så kombineres for å beregne de fullstendige opp- og nedadgående bølgefeltene.
1 Bakgrunn for oppfinnelsen 1 2 30 Denne oppfinnelsen vedrører geofysiske prospektering. Spesielt angår oppfinnelsen marinseismiske undersøkelser. Spesifikt utgjør oppfinnelsen et system for å kombinere signaler fra trykk- og partikkelbevegelsessensorer i marinseismiske lyttekabler. I seismiske undersøkelser får man tak i geofysiske data ved å påtrykke jorden akustisk energi fra en akustisk kilde og detektere seismisk energi reflektert fra grensesnittet mellom ulike lag i undergrunnsformasjonene. Det seismiske bølgefeltet reflekteres ved forskjell i akustisk impedans mellom laget over og under grensesnittet. Når man bruker tauede lyttekabler i marinseismiske undersøkelser, blir en seismisk lyttekabel slept bak et undersøkelsesfartøy i en dybde på seks til ni meter under overflaten, men den kan taues på både større og mindre dybde. Lyttekabelen inneholder hydrofoner for å detektere seismiske signaler. En hydrofon er en sensor som kan senkes under vann for å måle trykkgradienten ved å omforme trykkbølger til elektriske eller optiske signaler som typisk lagres for signalbehandling og evalueres for å estimere karakteristiske egenskaper til undergrunnslagene. I en typisk konfigurasjon for geofysiske undersøkelser, taues et flertall lyttekabler bak et fartøy. En eller flere seismiske energikilder taues normalt bak fartøyet. Den seismiske energikilden, som typisk utgjør en gruppering av luftkanoner, men som også kan være en gruppering av vannkanoner eller andre typer av kilder kjent for en typisk fagmann, sender seismisk energi eller bølger inn i undergrunnsformasjonen og bølgene reflekteres fra reflektorer i
2 1 2 30 jorden og registreres av sensorer i lyttekablene. Paravaner brukes typisk for å holde kablene i den ønskede posisjon sideveis under tauing. Alternativt holdes kablene i en hovedsakelig stasjonær posisjon i vannmassene, enten flytende på en valgt dybde eller liggende på bunnen av vannmassen, i hvilket tilfelle kilden kan bli tauet bak et fartøy for å generere akustisk energi i varierende posisjoner, eller kilden kan holdes i en stasjonær posisjon. Etter at den reflekterte bølgen har nådd lyttekabelen, forplanter den seg videre til vannoverflaten, hvorfra bølgen reflekteres nedover og detekteres på nytt av hydrofonene i lyttekabelen. Vannoverflaten er en god reflektor med en refleksjonskoeffisient nær 1 med negativt fortegn for trykkbølger. Bølgene som reflekteres ved overflaten blir derved fasedreid 180 grader i forhold til bølgen som forplanter seg oppover. Bølgen som forplanter seg nedover og tas opp av mottakerne, refereres det gjerne til som overflaterefleksjonen eller spøkelsessignalet. Grunnet overflaterefleksjonen opptrer vannoverflaten som et filter som skaper fall i frekvensspekteret til det mottatte signalet, noe som gjør det vanskelig å lagre data utenfor en valgt båndbredde. Grunnet innvirkningen fra overflaterefleksjonen, blir enkelte frekvenser forsterket mens andre dempes. Maksimal dempning oppstår ved frekvenser for hvilke propagasjonsavstanden mellom detekterende hydrofon og vannoverflaten tilsvarer en halv bølgelengde. Maksimal forsterkning oppstår ved frekvenser for hvilke propagasjonsavstanden mellom detekterende hydrofon og vannoverflaten tilsvarer en kvart bølgelengde. Bølgelengden til en akustisk bølge er lik farten delt på frekvensen, og farten til en akustisk bølge i vann er omtrent 0 m/s. Ut fra dette kan senterfrekvensen til fallet i frekvensspekteret lett bestemmes. For eksempel, for en seismisk lyttekabel på 7 meters dyp og vertikalt
3 1 2 30 innfallende bølger, vil maksimal dempning oppstå ved en frekvens på omtrent 7 Hz og maksimal forsterkning vil forekomme ved omtrent 4 Hz. Det har ikke vært vanlig praksis å taue lyttekabler dypere enn omtrent 9 meter fordi fallene i frekvensspekteret detektert av hydrofonene gir en signifikant reduksjon i brukbarheten av de lagrede dataene. Det har heller ikke vært vanlig praksis å taue lyttekabler på mindre dybde enn 6 meter grunnet den signifikante økningen i overflaterelatert støy indusert i de seismiske lyttekabeldataene. Det er også vanlig å utføre marinseismiske operasjoner der sensorene er plassert ut på havbunnen. Slike operasjoner refereres typisk til som havbunnsseismiske operasjoner ( ocean bottom seismic operations ). Under slike operasjoner utplasseres både trykksensorer (hydrofoner) og partikkelbevegelsessensorer (geofoner, akselerometere) på havbunnen for å ta opp seismiske data. En partikkelbevegelsessensor slik som en geofon, har retningsbestemt følsomhet, noe en trykksensor, slik som en hydrofon, ikke har. Av denne grunn vil signalet fra det oppadstigende bølgefeltet detektert av en hydrofon og en geofon plassert i nærheten av hverandre, være i fase, mens signalene fra bølgefeltet som beveger seg nedover, vil bli registrert 180 grader ute av fase. Forskjellige teknikker har blitt foreslått for å bruke faseforskyvningen til å redusere de spektrale fallene forårsaket av overflaterefleksjonen og, hvis opptakene gjøres på havbunnen, å dempe multipler forårsaket av vannet. Det er verdt å merke seg at et alternativ til å samlokalisere geofon og hydrofon, er å ha tilstrekkelig romlig tetthet av sensorer til at de respektive bølgefeltene tatt opp av hydrofonen og geofonen kan bli interpolert eller ekstrapolert for å produsere to bølgefelter på samme sted.
4 1 2 30 U.S. Patent No. 4,486,86 til Ruehle, for eksempel, lærer opp et system til å undertrykke spøkelsesrefleksjoner ved å kombinere utgangssignaler fra trykk- og hastighetsdetektorer. Detektorene settes sammen i par med en trykk- og en hastighetsdetektor i hvert par. Et filter endrer frekvensinnholdet til minst en av detektorene slik at spøkelsesrefleksjoner kanselleres når utgangsdataene kombineres. U.S. Patent No.,621,700 til Moldovenu lærer også opp minst ett sensorpar innholdende en trykksensor og en hastighetssensor i en havbunnskabel, i en metode for å dempe spøkelsesrefleksjoner og gjenklang fra vannlag. U.S. Patent 4,93,903 til Sanders et al lærer opp et marinseismisk prospekteringssystem som detekterer seismiske bølger i vannet vha par av trykk- og partikkelhastighetssensorer (f eks hydrofon-geofon par) eller alternativt, vertikalforskjøvede trykksensorer. Istedenfor filtrering for å eliminere spøkelsesrefleksjonsdata, satser systemet på å forsterke primærrefleksjonsdata til bruk i prestakkprosessering ved å addere spøkelselsdata. U.S. Patent 4,979, til Barr omhandler en metode for marinseismiske undersøkelser som hevdes å dempe koherent støy forårsaket av gjenklang i vannkolonner ved å anvende en skalafaktor på utgangen til en trykkomformer og en transduser for partikkelhastighet plassert ved siden av hverandre i vannet. Det sies i patentet at transduserne kan posisjoneres enten på havbunnen eller et annet sted i vannmassen over bunnen. Imidlertid foretrekkes en plassering på havbunnen. Samtidige U.S. Patent søknad No. /233,266 innlevert 30. august 02 under tittelen Apparater og fremgangsmåter for innsamling av marin-geofysiske flerkomponentsdata med en medoppfinner av den foreliggende oppfinnelsen og overført til søker av den foreliggende oppfinnelsen, beskriver en
1 2 30 partikkelbevegelsessensor til bruk i en lyttekabel og en fremgangsmåte for utjevning ( equalizing ) og kombinering av utgangssignaler fra partikkelbevegelsessensoren og en samlokalisert trykkgradientsensor. Som de refererte patentene viser, er det velkjent innen fagfeltet at trykk- og partikkelbevegelsessignaler kan kombineres for å utlede både det opp- og nedadgående bølgefeltet. For havbunnsregistreringer kan de opp- og nedadgående bølgefeltene deretter kombineres for å fjerne effekten av overflaterefleksjoner og for å dempe vannbårne multipler i det seismiske signalet. For tauede lyttekabler har imidlertid partikkelbevegelsessignalet blitt oppfattet å ha begrenset nytteverdi grunnet partikkelbevegelsessignalets høye støynivå. Allikevel, dersom partikkelbevegelsessignalene kunne framskaffes for datainnsamling vha tauet lyttekabel, kunne effekten av overflaterefleksjoner fjernes fra dataene. Den samtidige U.S. Patentsøknad No. /621,222 arkivert 16 juli 03 med tittelen Fremgangsmåte for seismiske undersøkelser ved bruk av bevegelsessensor- og trykksensordata, med en medoppfinner av oppfinnelsen i foreliggende søknad, beskriver en prosedyre for å dempe multipler ved å kombinere opp- og nedadgående bølgefelter målt i vannkolonnen, der bølgefeltet beregnes ved å kombinere trykksensorer som f eks hydrofoner og bevegelsessensorer som f eks geofoner. Prosedyren forutsetter imidlertid at både trykk- og bevegelsesdataene har samme båndbredde. Grunnet støy indusert av vibrasjoner i lyttekabelen som oppfanges av partikkelbevegelsessensorene, har det imidlertid vært vanskelig å oppnå samme båndbredde i bevegelses- og trykksensordataene. Denne støyen er imidlertid hovedsakelig begrenset til lavere frekvenser. En måte å redusere støyen på er å ha flere sensorer koplet i serie eller parallel. Denne tilnærmelsesmåten reduserer imidlertid ikke alltid støyen
6 tilstrekkelig til å gi et signal/støy-forhold som er tilfredsstillende for videre seismisk prosessering. Derfor finnes det et behov for en fremgangsmåte for å oppnå et brukbart partikkelbevegelsessignal med et tilfredsstillende signal/støy-forhold ved lave frekvenser. Særlig finnes det et behov for en fremgangsmåte for å generere et partikkelbevegelsessignal med hovedsakelig den samme båndbredden som et registrert trykksignal for partikkelbevegelsesog trykksensorer plassert i en tauet marinseismisk lyttekabel. Kortfattet beskrivelse av oppfinnelsen 1 Oppfinnelsen utgjør en fremgangsmåte for å kombinere signaler fra trykk- og partikkelbevegelsessensorer plassert i marinseismiske lyttekabler. Et signal fra en partikkelbevegelsessensor beregnes ved lave frekvenser fra trykksensorsignalet under bruk av dybden til den marinseismiske lyttekabelen og lydbølgehastigheten i vann. I en videre utførelsesform av oppfinnelsen, tar en fullstendig tredimensjonal matematisk løsning hensyn til det faktum at energi som reflekteres fra jorda, ankommer mottakerne innen et område av innfallsvinkler snarere enn kun i langsgående ( inline ) retning eller i en gitt retning, slik som vertikalen. Kortfattet beskrivelse av tegningene 2 Oppfinnelsen og dens fordeler forstås lettere ved å referere til den følgende detaljerte beskrivelsen og de vedføyde tegningene, der: 30 Fig. 1 er en illstrasjon av en fremgangsmåte for å samle inn marinseismiske data som kan brukes ifm fremgangsmåten i oppfinnelsen; Fig. 2 er et flytdiagram som illustrerer prosesserings-
7 1 trinnene i en utførelsesform av oppfinnelsens fremgangsmåte for å kombinere signaler fra trykksensorer som hydrofoner og partikkelbevegelsessensorer som geofoner plassert i marinseismisk lyttekabel; Fig. 3 er et plott av et hydrofonsignal registrert på 13 meters dyp; Fig. 4 er et plott av det tilsvarende geofonsignalet tatt opp samtidig med hydrofonsignalet i Fig. 2; Fig. er et plottt av amplitudespekteret til hydrofon- og geofonsignalene respektivt fra Fig. 2 og 3; Fig. 6 er et plott av amplitudespekteret til hydrofonsignalet og det tilspissede ("tapered") geofonsignalet fra Fig. 4; Fig. 7 er et plott av amplitudespekterne til hydrofonsignalet og det tilspissede geofosignalet som i Fig., og, i tillegg, et beregnet og tilspisset geofonsignal fra Fig. 4; Fig. 8 er et plott av amplitudespekteret til hydrofonsignalet og de blandede geofonsignalene fra Fig. 7; og Fig. 9 er et plott av amplitudespektrene til det oppadgående bølgefeltet generert ved å summere hydrofon- og geofonsignalene fra Fig. 7. 2 30 Selv om oppfinnelsen vil bli beskrevet i sammenheng med de foretrukne utførelsesformene, må det forstås at oppfinnelsen ikke er begrenset til disse. Derimot er oppfinnelsen ment å dekke alle alternativer, modifikasjoner og ekvivalenter som kan inkluderes i oppfinnelsens omfang slik dette er definert i de vedføyde kravene. Detaljert beskrivelse av oppfinnelsen Fig. 1 viser en skjematisk illustrasjon (ikke tegnet i skala) av en fremgangsmåte for å samle inn marinseismiske data som
8 1 2 30 kan anvendes vha oppfinnelsens fremgangsmåte. Et seismikkfartøy 1 befinner seg i en vannmasse 2 over jorden 3. Under havbunnen 4 finnes det underjordiske formasjoner av interesse slik som lag plassert mellom øvre grense 6 og nedre grense 7. Seismikkfartøyet 1 seiler på vannflaten 8 og inneholder kontrollutstyr for innsamling av seismiske data generelt angitt ved 9. Kontrollutstyret 9 omfatter navigasjonskontroll, kontroll av seismisk energikilde og registreringsutstyr, alt av velkjenter typer innen fagfeltet seismisk datainnsamling. Kontrollutstyret for seismikkregistreringer 9 aktiverer på valgte tidspunkter en seismisk energikilde 1 tauet i vannmassen 2 bak seismikkfartøyet 1. Energikilden 1 kan være av en hvilken som helst velkjent type anvendt til innsamling av seismikkdata, deriblant luft- eller vannkanoner, eller spesielt, grupperinger av vannkanoner. Seismiske lyttekabler 111 taues også i vannmassen 2 av seismikkfartøyet 1 for å registrere akustiske bølgefelter initiert av den seismiske energikilden 1 og reflektert fra grenseflater i omgivelsene. Selv om bare en seismisk lyttekabel 111 er vist i illustrasjonen, taues typisk et flertall seismiske lyttekabler 111 bak det seismiske fartøyet 1. De seismiske lyttekablene 111 inneholder sensorer for å detektere de reflekterte bølgefeltene initiert av den seismiske energikilden 1. Konvensjonelt inneholdt de seismiske lyttekablene 111 trykksensorer slik som hydrofoner 112, men seismiske lyttekabler 111 med doble sett sensorer, inneholder også vannpartikkelbevegelsessensorer slik som geofoner 113. Hydrofonene 112 og geofonene 113 samlokaliseres typisk i par eller par av sensorgrupperinger med regelmessige intervaller langs de seismiske lyttekablene 111. Til tross for dette, er ikke typene av sensorer 112, 113 eller deres plassering i de seismiske lyttekablene 111 ment som en
9 1 2 30 begrensning av den her omtalte oppfinnelse. Hver gang den seismiske energikilden 1 aktiviseres, utbrer et akustisk bølgefelt seg i sfærisk ekspanderende bølgefronter i både opp- og nedadgående retning. Utbredelsen av bølgefrontene illstreres ved en strålevei vinkelrett på bølgefronten. Det oppadgående bølgefeltet markert ved stråleveien 114, reflekteres av grenseflaten mellom vann og luft ved vannoverflaten 8 og utbrer seg deretter nedover som vist av stråleveien 11, der bølgefeltet kan bli detektert av hydrofonene 112 og geofonene 113 i den seismiske lyttekabelen 111. Uheldigvis inneholder en slik refleksjon fra vannoverflaten 8 som vist av stråleveien 8, ingen nyttig informasjon om de interessante underjordiske formasjonene. Allikevel opptrer slike overflaterefleksjoner, også kjent som "spøkelser", som sekundære seismiske energikilder med tidsforsinkelse. Det nedadgående bølgefeltet i stråleveien 116, reflekteres fra grenseflaten mellom vann og havbunnen 4 og beveger seg så oppover som stråleveien 117 slik at bølgefeltet kan detekteres av hydrofonene 112 og geofonene 113. En slik refleksjon ved havbunnen 4 som ved stråleveien 117, inneholder informasjon om havbunnen 4. Stråleveien 117 er et eksempel på en primærrefleksjon siden den har en underjordisk refleksjon. Det nedadgående bølgefeltet som i stråleveien 116, kan bli sendt gjennom havbunnen 4 som stråleveien 118, bli reflektert i grenseflate 7 til lag, og så bevege seg oppover som stråleveien 119. Det oppadgående bølgefeltet, stråleveien 119, kan så bli detektert av hydrofonene 112 og geofonene 113. En slik refleksjon fra grenseflaten 7 av et lag inneholder nyttig informasjon om en interessant formasjon og utgjør et eksempel på en primærrefleksjon siden den har en underjordisk refleksjon. Uheldigvis vil de akustiske bølgefeltene fortsette å
1 2 30 reflekteres fra kombinasjoner av grenseflater som havbunnen 4, havoverflaten 8 og lagenes grenseflater 6, 7. For eksempel vil det oppadgående bølgefeltet i stråleveien 117 bli reflektert av havoverflaten 8, forsette nedover langs stråleveien 1, kan reflekteres ved havbunnen 4 og fortsette oppover i stråleveien 121 der bølgefeltet kan bli detektert av hydrofonene 112 og geofonene 113. Stråleveien 121 er et eksempel på multippel refleksjon, også bare kalt en multippel, som har multiple refleksjoner fra grenseflater. Tilsvarende vil det oppadgående bølgefeltet langs stråleveien 119 reflekteres ved vannoverflaten 8, fortsette nedover langs stråleveien 122, kan reflekteres av et grenseflaten 6 til et lag og fortsette oppover igjen langs stråleveien 123 der bølgefeltet kan bli detektert av hydrofonene 112 og geofonene 113. Stråleveien 123 er et annet eksempel på multiple refleksjoner som også har multiple underjordiske refleksjoner. Multiple refleksjoner inneholder redundant informasjon om de interessante formasjonene og fjernes vanligvis fra de seismiske dataene før videre etterprosessering. Oppfinnelsen utgjør en fremgangsmåte for å kombinere signaler fra trykksensorer (typisk hydrofoner) og partikkelbevegelsessensorer (typisk geofoner eller akselerometre) plassert i seismiske lyttekabler. De kombinerte signalene kan brukes til å generere de opp- og nedadgående bølgefeltene, noe som er nyttig for videre seismisk prosessering slik som dempning av multipler i marinseismiske data. Siden et registrert partikkelbevegelsessignal ofte er befengt med lavfrekvensstøy grunnet vibrasjonene i den tauede lyttekabelen, ville signal-støy-forholdet for de kombinerte signalene bli dårlig. Partikkelbevegelsessignalet kan beregnes fra trykksensorsignalet innen et gitt frekvensområde dersom spekteret av trykksensorsignalet har et tilfreds-
11 1 2 30 stilllende signal/støy-forhold (og er uten fall innen dette frekvensområdet) og dersom dybden til trykk- og partikkelbevegelsessensorene er kjent. Dersom dybden til sensorene er ukjent, kan den beregnes basert på frekvensen til fall i spekteret forårsaket av overflaterefleksjonen, en velkjent fremgangsmåte innen fagfeltet. Lavfrekvensdelen av partikkelbevegelsessignalet trenger vanligvis å bli byttet ut fordi det har et lavt signal/støyforhold. Denne lavfrekvensdelen vil bli referert til som "Frekvensområdet". Den tilsvarende andelen av trykkksensorsignalet som skal brukes til å beregne partikkelbevegelsessignalet, har typisk et godt signal/støy-forhold i Frekvensområdet. Derfor velges fortrinnsvis dybden til trykksensoren slik at frekvensen til første spektrale fall i trykkksensorsignalet forårsaket av overflaterefleksjonen er høyere enn frekvensene i Frekvensområdet. Oppfinnelsens fremgangsmåten er spesielt nyttig for tauede marinseismiske lyttekabler fordi vibrasjonene til en tauet lyttekabel legger en signifikant mengde støy til signalet fra partikkelbevegelsessensoren. Derfor vil oppfinnelsens fremgangsmåte bli illustrert basert på tauede lyttekabler. Oppfinnelsens fremgangsmåte anvender trykksensorer som er følsomme for trykkendringer i det mediet trykksensorene har kopling til. Mediet er typisk vann. Kun for tydelighets skyld, illustreres oppfinnelsens fremgangsmåte ved bruk av hydrofoner, men dette er ikke ment å begrense oppfinnelsen. Oppfinnelsens fremgangsmåte anvender partikkelbevegelsessensorer som responderer på vannpartiklenes bevegelser som bevegelsessensorene har kopling til. Generelt kan partikkelbevegelsessensorene være responsive for forflytning av partiklene, hastigheten til partiklene eller akselerasjonen til partiklene i mediet. I den her omtalte oppfinnelsen, foretrekkes partikkelhastighetssensorer. Derfor, hvis
12 1 2 30 bevegelsessensorer som er responsive for posisjon anvendes, konverteres fortrinnsvis posisjonssignalet til et hastighetssignal ved differensiering/derivasjon vha dataverktøy velkjent innen fagfeltet. Dersom bevegelsessensorer som er responsive for akselerasjon (typisk kalt akselerometre) blir brukt, konverteres fortrinnsvis akselerasjonssignalet til et hastighetssignal ved integrasjon vha dataverktøy velkjente innen fagfeltet. I en alternativ utførelsesform av oppfinnelsen, anvendes multi-komponent bevegelsessensorer i den seismiske lyttekabelen. Kun for tydelighets skyld, illustreres denne utførelsesformen av oppfinnelsen ved bruk av geofoner, men dette er ikke ment å begrense oppfinnelsen. I det spesielle eksemplet med en trekomponents geofon, er geofonen montert for å føle partikkelbevegelse i vertikal retning. Denne geofonen kalles en vertikal geofon. To geofoner er montert i ortogonal retning ifht hverandre og ifht den vertikale hydrofonen, for å føle horisontale bevegelser. En trekomponents geofon orienteres typisk slik at den føler bevegelse i vertikal retning, langsretning ( in-line ) og på tvers av denne ( cross-line ). Ved å orientere disse geofonene i de nevnte retningene, kan man detektere utbredelsesretningen til det innkommende signalet. Det muliggjør også deteksjon av spesielle vibrasjoner ("strumming") eller annen mekanisk oppførsel av den seismiske kabelen. For tydelighets skyld, oppfinnelsens fremgangsmåte illustreres ved bruk av vertikale geofoner, men dette er ikke ment å begrense oppfinnelsen. Akselerometre kunne bli brukt som partikkelbevegelsessensorer som et alternativ til å bruke geofoner, selv om utgangssignalet vil måtte integreres for å oppnå hastighet. Noen akselerometre genererer et utgangssignal som indikerer variasjon i orientering av akselerometeret fra en valgt orientering. Derfor, hvis sett av to akselerometre (for
13 1 2 30 situasjoner der "in-line" retningen er kjent) eller sett av tre akselerometre (hvis in-line retningen ikke er kjent) blir brukt, kan sensorens orientering beregnes og det er ikke nødvendig å opprettholde en spesiell orientering av akselerometrene. Oppfinnelsens fremgangsmåte vil bli forklart med referanse til flytdiagrammet presentert i Fig. 2. Oppfinnelsens fremgangsmåte illustreres her ved bruk av hydrofoner som trykksensorer og vertikale geofoner som partikkelbevegelsessensorer, men dette er ikke ment å begrense oppfinnelsen. I eksemplene diskutert under med referanse til Fig. 3-9, er hydrofon- og geofonsystemene plassert 0.7 m fra hverandre i en tauet seismisk lyttekabel med en lengde på 1300 m på 13 m dybde and med en seismsk energikilde på 7 m dybde. Den horisontale avstanden mellom energikilden og hydrofon/geofonsystemet var omtrent 1300 m. Det spesifikke i disse eksemplene er kun ment for å illustrere og ikke for å begrense oppfinnelsen. Fig. 2 viser et flytdiagram som illustrerer prosesseringstrinnene i en utførelsesform av oppfinnelsens fremgangsmåte for å beregne et geofonsignal fra et hydrofonsignal og så kombinere signaler fra hydrofonene og geofonene plassert i marinseismiske lyttekabler. I den følgende diskusjonen benevnes signaler i rom-tidsdomenet med små bokstaver mens de samme signalene i frekvensbølgetall-domenet benevnes med tilsvarende store bokstaver. I den foretrukne utførelsesformen av oppfinnelsen er x (rom) en vektor svarende til (x,y) der x er retningen langs og y på tvers av lyttekablene. I andre utførelsesformer kan y holdes konstant slik at hver kabel analyseres separat. En mulig grunn til å velge denne muligheten kunne være at kablene er utplassert på signifikant forskjellige dybder. Også, i andre utførelsesformer, kan x bli holdt konstant slik at hver enkelt
14 sensor blir analysert individuelt. Sistnevnte utførelsesform vil typisk være en foretrukket valgmulighet hvis dybden til sensorene innen hver enkelt kabel varierer signifikant. 1 2 I den foretrukne utførelsesformen av oppfinnelsen er k (bølgetall) en vektor tilsvarende (k x, k y ) der k x er bølgetallet i x-retning og k y er bølgetallet i y-retning. I andre utførelsesformer kan man se bort fra k y slik at hver kabel analyseres separat. I dette tilfellet velges en fast retning for utbredelse på tvers ( cross line ) for hver kabel. Retningen kan være vertikal eller en hvilken som helst annen retning. En grunn til å velge denne muligheten kunne være at kablene er utplassert på signifikant forskjellige dybder. Også, i andre utførelsesformer, kan man se bort fra både k x og k y slik at hver enkelt sensor analyseres individuelt og kun frekvensspekteret for hver registrert trase blir brukt. I dette tilfellet blir en fast utbredelsesretning både i langsgående retning og på tvers, brukt for hver sensor. Sistnevnte vil typisk være en foretrukket opsjon dersom dybden til sensorene innen hver kabel varierer signifikant. I dette tilfellet vil de transformerte dataene være i f-x-domenet. Diskusjonen under bruker eksempler fra marinseismisk undersøkelser for mål på dybder fra noen få hundre meter til noen få kilometer såkalte dypseismiske undersøkelser. Den omtalte oppfinnelsen er imidlertid anvendbar for undersøkelser av både grunnere og dypere plasserte mål. Ved trinn 21 i Fig.2 transformeres et sett hydrofondata h signal (x,t) og et tilsvarende sett geofondata g signal (x,t) fra romtids-domenet til frekvens-bølgetalldomenet, noe som gir respektivt et transformert hydrofonsignal H signal (f,k) og et 30 transformert geofonsignal G signal (f,k). Transformasjonen er fortrinnsvis en Fouriertransformasjon, men dette er ikke en
1 1 begrensning av oppfinnelsen. Oppfinnelsens fremgangsmåte kan utføres i ulike transformerte domener som skiller bølgefeltet i vinkelkomponenter inklusive, men ikke begrenset til, bølgetall og langsomhet. Oppfinnelsens fremgangsmåte er ikke begrenset til kun frekvens-bølgetall-domenet eller til Fouriertransformasjonen. Frekvens-bølgetall-domenet og Fouriertransformasjonen brukes i det følgende kun for å illustrere. Ved trinn 22 i Fig. 2 korrigeres de transformerte hydrofon- og geofonsignalene fra trinn 21, respektive H signal for relative forskjeller i instrumentenes overføringsfunksjoner som tilsvarer instrumentenes (f,k) og G signal (f,k), impulsrespons i tidsdomenet. Disse korreksjonene kan enten korrigere amplituden eller fasen til hydrofondataene for tilpasning til geofondataene eller, i en alternativ utførelsesform, korrigere begge datasett til et felles grunnlag. Korrigering for relative forskjeller i instrumenters impulsrespons er velkjent innen fagfeltet. Avslutningsvis skaleres amplituden til geofondataene med det inverse av den akustiske impendansen i vannet for å korrigere for relative forskjeller i amplituder for trykk og partikkelhastighet. Dette er også velkjent innen fagfeltet. Ved trinn 23 i Fig. 2 blir allerede korrigerte geofonsignalet G signal(f,k) fra trinn 22, videre korrrigert for innfallsvinkel. 2 30 Mens en hydrofon registrerer det totale bølgefeltet, registrerer en vertikal geofon kun den vertikale delen av bølgefeltet. Dette vil være likt det totale bølgefeltet kun for signaler som brer seg ut vertikalt mao har en innfallsvinkel Φ = 0. For enhver annen verdi på Φ = 0, må geofonsignalet skaleres som følger:
16 G (f,k) G signal total (f,k), (1) co s der G total (f,k) er det totale bølgefeltet og cos(φ) er gitt av: 2 cos( ) 1 sin ( ) 2 2 v k 1, 2 f og v er lydhastigheten i vannet. (2) 1 Lydhastigheten i vann er kjent innen fagfeltet til å være nær 0 m/s. Derfor, hvis v er kjent, så viser Likning (2) en direkte forbindelse mellom innfallsvinkelen Φ, verdiene til bølgetallet k og frekvensen f. Hvis v av en eller annen grunn ikke er kjent, så kan den måles vha velkjente metoder. Det kan også ses fra Likning (2) at cos(φ) er reell og ulik null for verdier av k gitt av: f 0 k. (3) v 2 Eksempler på registreringer av enkeltraser der korreksjonene over har blitt anvendt (under antakelse av vertikal innfallsvinkel) er vist i Fig. 3 og 4. Fig. 3 er et plott av amplitude som funksjon av tid for et hydrofonsignal registrert på 13 m dybde. Fig. 4 er et plott av amplitude som funksjon av tid for det tilsvarende geofonsignalet registrert samtidig med hydrofonsignalet fra Fig. 3. Tilsvarende amplitudespektrum (som viser amplitude som funksjon av frekvens) til hydrofon- og geofonsignalene er vist i Fig.. Den heltrukne linjen 1 er spekteret til hydrofonsignalet og
17 den prikkede linjen 2 er spekteret til geofonsignalet. Det høyere støynivået i geofondataene kan ses ved sammenlikning av Fig. 3 og 4. Det kan også ses fra Fig. at støyen i geofonsignalene hovedsakelig er begrenset til de lavere frekvensene 3. I trinn 24 i Fig. 2 beregnes en lavfrekvensdel av geofonsignalet fra det registrerte hydrofon signalet. På den måten genereres et datasett G calculated (f,k) fra H signal (f,k) for f1<f<f2, altså for Frekvensområdet [f1,f2]. I det videre beskrives denne prosedyren i detalj. Hydrofonsignalet og geofonsignalet kan uttrykkes ved sine oppog nedadgående komponenter og hydrofonsignalet (trykkbølgefeltet) er gitt ved likningen: 1 h (x,t) h (x,t) h (x,t). (4) signal der h (x,t) er den oppadgående komponenten og h (x,t) er den nedadgående komponenten av hydrofonsignalet h signal (x,t). Tilsvarende er geofonsignalet (hastighetsbølgefeltet) gitt av: g (x,t) g (x,t) g (x,t), () signal der g (x,t) er den oppadgående komponenten og g nedadgående komponenten av geofonsignalet g signal (x,t). (x,t) er den 2 Anta at oppadgående komponent av hydrofon- og geofonsignalene er like, det vil si: h (x,t) g (x,t). (6) 30 Da gir innsetting av Likning (6) i Likning ():
18 g (x,t) h (x,t) g (x,t) (7) signal La τ være tidsforsinkelsen for overflaterefleksjonen, dvs tidsforsinkelsen mellom ankomsten til bølgefeltet som forplanter seg direkte oppover og tilsvarende refleksjon fra overflaten. Bruk av definisjonen av cos(φ) i Likning (2), gir følgende uttrykk for tidsforsinkelsen τ: 2 D cos( ) v, (8) 1 2 2 v k 2 D 1 2 f v 2 der D er dybden til hydrofonen og geofonen. Dybden D kan fastlegges på en hvilken som helst kjent måte innen fagfeltet, slik som ved en dybdesensor eller ved en beregning. Anta at refleksjonskoeffisienten ved havoverflaten er c for trykksignaler og, derved, -c for partikkelhastighetssignaler. Absoluttverdien til c er svært nær en. Det er velkjent innen fagfeltet at refleksjonskoeffisient er en funksjon av innfallsvinkelen og, siden havoverflaten ikke alltid er flat, også en funksjon av frekvens. Dette utgjør imidlertid små effekter i forhold til oppfinnelsens fremgangsmåte og blir således ikke diskutert videre. En annen velkjent mindre effekt som ikke er tatt med i diskusjonen under er forskjellen i geometrisk spredning mellom registrert direkte ankomst og tilsvarende registrert overflaterefleksjon. Så, ved bruk av τ, kan den nedadgående komponenten h (x,t) av hydrofonsignalet uttrykkes ved:
19 h (x,t) c h (x,t - τ). (9) Tilsvarende kan den nedadgående komponenten til g uttrykkes ved: (x,t) g (x,t) c h (x,t - τ) () Innsetting av h (x,t) og g (x,t) som gitt respektivt av Likningene (9) og (), i respektivt Likningene (4) og (7) gir: og h (x,t) h (x,t) c h (x,t-τ) (11) signal 1 g (x,t) h (x,t) c h (x,t-τ). (12) signal Deretter transformeres hydrofon- og geofonsignalene uttrykt ved sine opp- og nedadgående komponenter i Likning (11) og (12) til frekvens-bølgetall-domenet. Fortrinnsvis er transformasjonen en Fouriertransformasjon, men dette er ingen begrensning av oppfinnelsen. Transformasjon av Likning (11) til frekvens-bølgetall-domenet gir: 2 H (f,k) H (f,k) c H (f,k) exp( i2 f ) signal H (f,k) 1 c exp( i2 f ). (13) Løsning av Likning (13) mhp den oppadgående komponenten av hydrofonsignalet gir: H signal(f,k) H (f,k). (14) 1 c exp( i2 f )
På samme måte som ovenfor gir transformasjon av Likning (12) til frekvens-bølgetall-domenet følgende: G (f,k) H (f,k) c H (f,k) exp( i2 f ) signal H (f,k) 1 c exp( i2 f ). (1) Nå kan et geofonsignal G calculated (f,k) beregnes fra hydrofonsignalet H signal (f,k) i frekvens-bølgetall-domenet. Innsetting av H (f,k) som gitt av Likning (14) i Likning (1), gir geofonsignalet beregnet fra hydronfonsignalet ved: 1 c exp( i2 f ) G calculated (f,k) H signal(f,k), (16) 1 c exp( i2 f ) 1 der frekvensen f er gitt av f 1 f f 2 og bølgetall k er gitt av Likning (3). Likning (16) kan brukes til å beregne geofonsignalet fra det registrerte hydrofonsignalet ved lave frekvenser der signal/støy-forholdet til det registrerte geofonsignalet er tilstrekkelig til prosesseringsformål. Likning (16) er veldefinert dersom nevneren på høyre side er ulik null. Hvis vi antar at c = -1 nøyaktig, blir nevneren 0 når 1 exp( i2 f ), (17) 2 dvs når f = 0, 1/τ, 2/τ,.... Slik må f 1 være større enn null. En typisk verdi vil være 3 Hz. For å unngå artifakter i tidsdomenet, må riktig tilspissing, som er velkjent innen fagfeltet, utføres på lavfrekvensdelen av spekteret til det beregnede geofonsignalet.
21 Av Likning (8) kan man se at: 1 v 2 D cos( ), (18) 1 2 30 som har sin laveste verdi for φ = 0 dvs. for signaler som forplanter seg vertikalt. Dette betyr at f 2 må være mindre enn v/2d. Dersom vi antar at geofonsignalet er for støybefengt til å brukes for frekvenser under f noise, så er f noise < f 2 < v/2d. Fortrinnsvis bør differansen mellom f 2 og f noise være stor nok til at det beregnede geofonsignalet fra (16) kan sammenliknes og sjekkes opp mot det målte geofonsignalet. Et område overlappende frekvenser fortrekkes for å flette den beregnede delen av geofonsignalet med den målte delen. Typisk bør f 2 være - Hz større enn f noise. For å opprettholde et godt signal/støy-forhold, bør hydrofonsignalet f 2 være signifikant lavere enn v/2d og fortrinnsvis ikke større enn circa 7% av v/2d. I dataeksemplene som er vist i Fig. 3 - er sensordybden 13 m. Hvis vi antar at lydhastigheten i vann v er 0 m/s, gir dette et første fall i hydrofonspekteret ved omtrent v/2d eller 8 Hz. Dette indikerer at f 2 skulle være mindre enn omtrent 7% av v/2d eller omtrent 43 Hz. I trinn 2 i Fig.2 flettes den beregnede og den registrerte delen av geofonsignalet sammen til ett datasett. For å unngå artifakter i dataene, spesielt i tidsdomenet, bør flettingen fortrinnsvis gjøres med en tilspisset sone. I praksis vil denne tilspissede sonen være frekvensene mellom f noise og f 2 selv om et smalere frekvensområde kan velges. Nedenfor finnes en fremgangsmåte for å anvende vekter på de to datasettene før de flettes. Det finnes andre måter å beregne vektene til de to datasettene før fletting som er vel kjente
22 innen fagfeltet så dette er ingen begrensning av oppfinnelsen. En vekt w(f) beregnes som følger: wf f f f f noise () 2 noise, for f noise f f 2. (19) Derfor blir w(f) = 0 for f = f noise og w(f) = 1 for f = f 2. Dette flettede totale geofondatasettet blir dermed: G calculated (f,k), for f fnoise, G constructed (f,k) 1 wf ( ) G calculated (f,k) wf ( ) G total(f,k), for fnoise f f2, G total(f,k), for f f2. () 1 2 Innen fagfeltet finnes det flere velkjente måter å beregne vekter for å flette signaler og den som er vist over er kun et eksempel. Alternativt er det mulig å flette amplitude- og fasespektrene til de to datasettene separat. I denne alternative utførelsesformen, er den aktuelle vektingsfunksjonen kompleks. I det følgende eksemplet illustrert i Fig. 6-9 brukes dataene fra Fig. for å illustrere prosedyren i trinn 24 og 2 i Fig. 2. Fra Fig. kan f noise estimeres til omtrent Hz. For å få et område man kan flette, har f 2 blitt satt til 2 Hz. Fig. 6 er et plott av amplitudespekteret til hydrofon- og geofonsignalene fra Fig.. Den heltrukne linjen 61 er spekteret til hydrofonsignalet og den prikkede linjen 62 er spekteret til geofonsignalet. Amplituden til geofonsignal 1 i Fig. har blitt tilspisset med en lineær funksjon mellom og 2 Hz og satt til 0 under Hz (ved referansenummer 63) for å gi amplituden til geofonsignal 61 i Fig. 6. Fig. 7 har med et geofonsignal 73 som har blitt beregnet fra
23 1 hydrofonsignalet fra likning (11) i frekvensområdet 3-2 Hz og lineært tilspisset på lavfrekvenssiden og mellom og 2 Hz. Den heltrukne linjen 71 er spekteret til hydrofonsignalet og den prikkede linjen 72 er spekteret til geofonsignalet tatt fra Fig. 6. Fig. 8 viser amplitudespektrene til de registrerte hydrofondataene 81 og de flettede geofondataene 82. Geofonsignal 82 er blitt flettet ved bruk av Likning (). Man kan se at datasettene fra hydrofon og geofon nå har i hovedsak samme båndbredde. I trinn 26 i Fig. 2 blir det konstruerte geofondatasettet i full båndbredde og det registrerte hydrafondatasettet i full båndbredde addert eller subtrahert for å beregne opp- og nedadgående bølgefelt i full båndbredde. Dette kan gjøres som følger: h signal(x,t) g constructed (x,t) u( x,t) og (21) 2 h signal(x,t) g constructed (x,t) d( x,t). (22) 2 der u(x,t) and d(x,t) er henholdsvis det opp- og nedadgående bølgefeltet. Separasjonen kan også gjøres i frekvensdomenet som følger: 2 og H signal(f, x) G constructed (f,x) U(f, x) 2 (23) H signal(f, x) G constructed (f, x) D(f, x). 2 (24) Amplitudespekteret til det oppadgående bølgefeltet, U(f),
24 etter å ha summert hydrofondataene 81 og geofondataene 82 i Fig. 8 ved bruk av Likning (23), blir vist i Fig. 9. Som man kan se fra Fig. 9, er effekten av overflaterefleksjonen på mottakersiden fjernet. Fallet 91 ved omtrent 12 Hz er overflaterefleksjonen på energikildesiden med kilden på omtrent 6 m dybde.
2 PATENTKRAV 1. Fremgangsmåte for å fjerne spøkelsessignaler i marinseismiske data, der fremgangsmåten omfatter: beregning av et beregnet partikkelbevegelsessensorsignal fra et registrert hydrofonsignal i et første frekvensområde; beregning av et flettet partikkelbevegelsessensorsignal som en kombinasjon av det beregnede partikkelbevegelsessensorsignalet i det første frekvensområdet og et registrert partikkelbevegelsessensorsignal i et andre frekvensområde, der det andre frekvensområdet har høyere frekvenser enn frekvenser i det første frekvensområdet; og beregning av et bølgefelt der spøkelsessignalene er fjernet i det minste delvis fra det flettede partikkelbevegelsessensorsignalet og det registrerte 1 hydrofonsignalet. 2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, der beregningen av det beregnede partikkelbevegelsessensorsignalet fra det registrerte hydrofonsignalet i det første frekvensområdet videre omfatter: transformering av det registrerte hydrofonsignalet fra et rom- tids-domene til et frekvens-bølgetall-domene; og beregning av et beregnet partikkelbevegelsessensorsignal som et produkt av det transformerte hydrofonsignalet og 1 c exp( i2 f ) 1 c exp( i2 f ) i frekvens-bølgetall-domenet, der c er 2 refleksjonskoeffisienten til havoverflaten, τ er tid, and f er en frekvens i det første frekvensområdet. 3. Fremgangsmåte ifølge krav 1, der beregning av det flettede
26 partikkelbevegelsessensorsignalet som en kombinasjon av det beregnede partikkelbevegelsessensorsignalet og det registrerte partikkelbevegelsessensorsignalet videre omfatter: 1 å sette det flettede partikkelbevegelsessensorsignalet lik det beregnede partikkelbevegelsessensorsignalet for frekvenser større enn null og mindre enn en laveste frekvens (?) i det første frekvensområdet; å sette det flettede partikkelbevegelsessensorsignalet lik en sum av det beregnede partikkelbevegelsessensorsignalet multiplisert med en første vektingsfunksjon og det registrerte partikkelbevegelsessensorsignalet multiplisert med en andre vektingsfunksjon for frekvenser i det første frekvensområdet, der den første vektingsfunksjonen og den andre vektingsfunksjonen summeres til én for frekvenser i det første frekvensområdet; og å sette det flettede partikkelbevegelsessensorsignalet lik det registrerte partikkelbevegelsessensorsignalet for frekvenser i det andre frekvensområdet. 2 30 4. Fremgangsmåte ifølge krav 3, der den første vektingsfunksjonen avtar fra én for en laveste frekvens i det første frekvensområdet til null for en høyeste frekvens i det første frekvensområdet, og den andre vektingsfunksjonen øker fra null for den laveste frekvensen i det første frekvensområdet til én for den høyeste frekvensen i det første frekvensområdet.. Fremgangsmåte ifølge krav 1, der beregning av bølgefeltet der spøkelsessignalene er fjernet videre omfatter beregning av et oppadgående bølgefelt i det minste delvis fra det flettede partikkelbevegelsessensorsignalet med hydrofonsignalet i et frekvens-bølgetall-domene.
27 1 6. Fremgangsmåte ifølge krav 1, der beregningen av bølgefeltet der spøkelsessignalene er fjernet videre omfatter beregning av et oppadgående bølgefelt i det minste delvis fra det flettede partikkelbevegelsessensorsignalet med hydrofonsignalet i et rom-tids-domene. 7. Fremgangsmåte ifølge krav 1, der beregningen av bølgefeltet der spøkelsessignalene er fjernet videre omfatter beregning av et oppadgående bølgefelt i det minste delvis fra det flettede partikkelbevegelsessensorsignalet og det registrerte hydrofonsignalet over frekvenser som strekker seg fra null til en høyeste frekvens i det andre frekvensområdet. 8. Fremgangsmåte ifølge krav 1, der det registrerte partikkelbevegelsessensorsignalet og det registrerte hydrofonsignalet produseres av samlokaliserte partikkelbevegelsessensorer og hydrofoner, respektive. 9. Fremgangsmåte for å dempe støy i et registrert partikkelbevegelsessensorsignal, der fremgangsmåten omfatter: beregning av et beregnet partikkelbevegelsessensorsignal fra et registrert hydrofonsignal; 2 beregning av et flettet partikkelbevegelsessensorsignal som en sum av det beregnede partikkelbevegelsessensorsignalet multiplisert med en første vektingsfunksjon og et registrert partikkelbevegelsessensorsignal multiplisert med en andre vektingsfunksjon.. Fremgangsmåte ifølge krav 9, videre omfattende: transformering av det registrerte hydrofonsignalet fra et romtids-domene til et frekvens-bølgetall-domene; og transformering av det registrerte partikkelbevegelsessensor-
28 signalet fra rom-tids-domenet til frekvens-bølgetall-domenet. 11. Fremgangsmåte ifølge krav 9, der beregningen av det beregnede partikkelbevegelsessensorsignalet fra det registrerte hydrofonsignalet i frekvensområdet videre omfatter: transformering av det registrerte hydrofonsignalet fra et romtids-domene til et frekvens-bølgetall-domene; og beregning av det beregnede partikkelbevegelsessensorsignalet som et produkt av det transformerte hydrofonsignalet og 1 c exp( i2 f ) 1 c exp( i2 f ) i frekvens-bølgetall-domenet, der c er refleksjonskoeffisienten til havoverflaten, τ er tid, and f er en frekvens i det første frekvensområdet. 12. Fremgangsmåte ifølge krav 9, der den første vektingsfunksjonen og den andre vektingsfunksjonen summeres 1 til én. 13. Fremgangsmåte ifølge krav 9, der den første vektingsfunksjonen avtar fra én for en laveste frekvens i frekvensområdet til null for en høyeste frekvens i frekvensområdet, og den andre vektingsfunksjonen øker fra null for den laveste frekvensen i frekvensområdet til én for den høyeste frekvensen i frekvensområdet. 14. Fremgangsmåte ifølge krav 9, der beregning av det flettede partikkelbevegelsessensorsignalet videre omfatter: beregning av det flettede partikkelbevegelsessensorsignalet 2 som en sum av det beregnede partikkelbevegelsessensorsignalet multiplisert med den første vektingsfunksjonen og det registrerte partikkelbevegelsessensorsignalet med den andre vektingsfunksjonen i et frekvensområde;
29 å sette det flettede partikkelbevegelsessensorsignalet lik det beregnede partikkelbevegelsessensorsignalet for frekvenser høyere enn null og mindre enn en laveste frekvens i frekvensområdet; å sette det flettede partikkelbevegelsessensorsignalet lik det registrerte partikkelbevegelsessensorsignalet for frekvenser høyere enn en høyeste frekvens i frekvensområdet. 1. Fremgangsmåte ifølge krav 9, der det registrerte partikkelbevegelsessensorsignalet og det registrerte hydrofonsignalet produseres av samlokaliserte partikkelbevegelsessensorer og hydrofoner, respektive.