ESTENSIONE 3D PER TECNICHE DI PREPROCESSING DI DATI SISMICI MARINI AD ALTA RISOLUZIONE

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1 P. Diviacco, R. Sinceri e N. Wardell Istituto Nazionale di Oceanografia e di Geofisica Sperimentale OGS,Trieste ESTENSIONE 3D PER TECNICHE DI PREPROCESSING DI DATI SISMICI MARINI AD ALTA RISOLUZIONE Riassunto. La riduzione di scala nelle acquisizioni di dati sismici 3D ad altissima risoluzione (VHR), rispetto alle normali apparecchiature utilizzate nella ricerca di idrocarburi, impone alcuni limiti tecnologici che si concretizzano nell impossibilità di restituire un corretto posizionamento sia verticale che orizzontale di sorgente e ricevitori. Moto ondoso, maree e derive degli streamers possono quindi introdurre errori che si ripercuotono negativamente sulla qualità del cubo 3D di dati sismici stack finali. Il metodo sviluppato corregge queste anomalie utilizzando soltanto i tempi di arrivo delle onde riflesse dal fondo mare, sfruttando la ridondanza tipica dei dati sismici a copertura multipla. 3D EXTENSION FOR PRE-PROCESSING TECHNIQUES OF HIGH RESOLUTION MARINE SEISMIC DATA Abstract. The scale of the phenomena involved in very high resolution seismic data acquisition, stretches the technological limits of the instruments available in seismic prospecting. This, results in strong difficulties in determining a correct positioning both horizontally and vertically of the acquisition system components. Wave motion, tides and streamer feathering may introduce errors that can effect the overall quality of final stacked 3D seismic cube. The method developed is able to correct most of theese anomalies using only the two way times of reflections from the sea bottom, taking advantage of the tipical redundancy of multifold seismic data. INTRODUZIONE Nelle prospezioni sismiche ad altissima risoluzione in mare, la posizione della sorgente e dei ricevitori dovrebbe essere conosciuta con precisioni dell ordine dei decimetri in tutte le tre direzioni, per poter assicurare un corretto processing dei dati. Sfortunatamente le tecnologie attuali non consentono questo livello di accuratezza, dal momento che la strumentazione disponibile è generalmente costosa e scalata per i problemi delle prospezioni petrolifere. In acquisizione le derive della nave e degli streamers rispetto ad una geometria nominale possono provocare un vistoso deterioramento delle sezioni sismiche finali VHR, dove sono comuni frequenze fino ad 800 Hz e dimensioni dei bin di 1 o 2 metri. Il moto ondoso e le differenze di quota provocate dalle maree producono interferenze distruttive nel segnale, mentre le anomalie in X ed Y danno errori nelle distanze sorgente ricevitore ed un errato binning della traccia. Un diagramma schematico delle possibili anomalie di posizionamento è quello di Fig. 1. Variazioni verticali ed orizzontali implicano trattamenti diversi. Le variazioni dovute al moto ondoso implicano correzioni statiche (spostamenti in blocco delle tracce), mentre le anomalie di offset, correzioni dinamiche. Le anomalie provocate dalle maree sono un fenomeno intermedio e richiedono correzioni statiche a zero offset. Le anomalie verticali sono analoghe a quelle che nella sismica a terra richiedono l applicazione delle correzioni statiche residue. Nei pacchetti commerciali di elaborazione di dati sismici sono disponibili vari algoritmi per derivare correzioni

2 statiche surface consistent negli scoppi e ricevitori o nei cdp, studiati essenzialmente per il caso terrestre. Fig. 1 - Errori di posizionamento. È possibile adattare gli algoritmi surface consistent in cdp per il caso marino, ma queste soluzioni non potendo considerare le variazioni del fondo mare possono risultare fuorvianti. METODOLOGIA Il metodo sviluppato utilizza la ridondanza tipica dei dati di sismica multicanale, analizzando statisticamente i primi arrivi riflessi. La prima fase del metodo consiste nell applicazione ai dati del posizionamento assoluto. Per i problemi tecnologici visti in precedenza, sono disponibili generalmente soltanto i files di navigazione della nave. Da questi si può risalire alla posizione di sorgente e ricevitori per semplice proiezione, nella direzione della rotta verso poppa, della geometria nominale. Fig. 2 - filtraggio del moto ondoso per dati a copertura singola.

3 Questo modello semplificato è un approssimazione del reale posizionamento del sistema. La correzione delle anomalie di offset viene demandata ad una fase successiva. Si procede quindi al picking automatico degli arrivi dal fondo mare, che essendo un segnale presente ovunque rende confrontabili tutti i dati. In un caso a copertura singola è possibile lisciare il profilo del fondo mare, per eliminare le oscillazioni dovute al moto ondoso. Questa operazione comporta però lo spianamento di eventuali piccole strutture presenti sul fondo (Fig. 2). Nel caso 2D i risultati ottenibili sono molto più affidabili. Fig. 3 - Filtraggio in common offset e relativa autocorrelazione. Il metodo, già descritto in alcune precedenti note (Diviacco et al., 1998; Wardell et al., 1999, 2000) utilizza una media mobile in common offset per separare alte frequenze, legate al moto ondoso e basse frequenze, legate alla forma del fondo mare. In Fig. 3 un profilo in common offset lisciato via via utilizzando medie mobili su ranges crescenti. In basso la relativa autocorrelazione. Si nota come le periodicità legate al moto ondoso vengano eliminate per un valore corrispondente a 13. Nell estensione 3D del metodo è necessario considerare tutti i fenomeni che possano rendere non direttamente confrontabili i dati da linee diverse, pur dello stesso survey. Possono essere decise variazioni di geometria nominale in corso di acquisizione, ed inoltre la non contemporaneità dell acquisizione implicherà quote di marea diverse tra linee. Per risolvere il primo problema nel caso 3D gli offset vengono classati ad ottenere una distribuzione variabile di tracce tra common offset (Fig. 4). Per risolvere il problema delle maree, ove queste non siano disponibili, o non siano state registrate con l accuratezza necessaria alle prospezioni VHR viene adottato un metodo (Fig. 5) concettualmente simile a quello per la rimozione del moto ondoso. Si considerano i picks relativi ad un solo offset, che vengono sottoposti ad uno spatial averaging 3D forzato in modo da ottenere una superficie di trend del fondo mare. Quello che interessa è un valore medio sulla singola linea sismica che viene poi confrontato tra linee consentendo di allinearle con un datum arbitrario. Una volta disponibili picks, classati per offset e confrontabili perché non influenzati da eventuali effetti di marea, è possibile procedere con i successivi passaggi del metodo (Fig. 6). Per ogni singola classe di offset si procede ad uno spatial averaging della superficie definita dai picks, con range in X e Y coerente con

4 le periodicità del moto ondoso individuabili attraverso autocorrelazione (Common Offset Spatial Averaging, COSA). Fig. 4 - Classazione degli offset per geometrie variabili. Sottraendo alla superficie dei picks iniziali la superficie lisciata si ottiene una superficie di residui costituita dagli effetti del moto ondoso e dai residui di fondo mare ancora presenti. Nel caso a copertura singola vista in precedenza l applicazione dello smoothing poteva provocare la rimozione delle strutture di piccole dimensioni sul fondo mare. Il parametro da settare nell operazione era il range dell operatore di smooth. Se questo era eccessivo, sarebbero state spianate tutte le piccole strutture reali presenti sul fondo mare, se troppo piccolo le anomalie dovute al moto ondoso non sarebbero state filtrate. Attraverso una corretta scelta del range di smooth si possono ottenere buoni risultati, che però non possono garantire l assenza di deformazioni indotte nella forma del fondo mare. Questo obiettivo invece è raggiungibile utilizzando dati in copertura multipla. Original picks of the sea-bottom Trend surface Tide corrections Residuals from (picks - trend) Fig. 5 - Correzione di marea.

5 Original Picks Pick error 1 residuals (difference between tide corrected picks and COSA surface) CDP component Tide corrected Picks SHOT component pick error is conserved no erroneous correction computed COSA surface Final residuals Fig. 6 - I passaggi del metodo Common Offset Spatial Averaging (COSA). Basandosi sull assunzione che tutte le tracce di un CDP siano relative alla stessa verticale del punto medio, la forma del fondo mare può essere rimossa dai dati che serviranno a calcolare le correzioni per il moto ondoso, sottraendo la media dei picks nei CDP (CDP component). Fig. 7 - Distribuzione della copertura in un rilievo VHR3D.

6 Nell estensione 3D del metodo si deve tener conto dall irregolare distribuzione delle tracce nei bins, dovuta all impossibilità di mantenere il sistema di acquisizione su una rotta a direzione costante e su passate equidistanti (Fig. 7). L effetto di queste geometrie variabili si concretizza in una forte variabilità nel fold, che può facilmente portare a bins vuoti o peggio ancora a bins che contengano una sola traccia. Questo ultimo caso è particolarmente pericoloso perché, i valori delle tracce singole, non mediandosi con altre tracce diventano troppo pesanti e possono tendere a colorare in modo irreale la forma del fondo mare. La soluzione adottata per risolvere questo problema è di estendere la componente CDP ai bins vicini, ad ottenere un valore rappresentativo anche ove vi siano cdp con tracce singole. Dove l acquisizione sia stata fatta utilizzando uno schema a passate parallele si potrà adottare un bin esteso a forma non quadrata, ma rettangolare, con il lato più lungo in direzione perpendicolare alla rotta della nave. In questo modo è possibile minimizzare l affetto filtrante passa-basso sulla forma del fondo mare nella direzione dell acquisizione. Una volta rimosso il CDP component è possibile passare alla determinazione delle correzioni per il moto ondoso. Nel caso marino al surface consistency è mantenuta solo sullo scoppio, è quindi possibile determinare un valore medio dei residui fin qui trovati valido come correzione di tutte le tracce appartenenti allo stesso scoppio (Shot component). L applicazione di queste correzioni porta ad un ulteriore evidente lisciamento della superficie dei residui Fig. 8 - Sezioni stack 3D con errori di posizionamento (sopra) e dopo le correzioni di offset (sotto). Dopo aver proceduto a rimuovere il moto ondoso dai dati utilizzando lo shot component è possibile occuparsi delle correzioni di offset. Le imprecisioni nel posizionamento descritte in precedenza possono comportare variazioni di offset dell ordine di 1 o 2 di metri. Se non corrette, in fase di correzione di NMO queste possono restituire differenti quote a zero offset tra linee, provocando una evidente segmentazione della sezione stack finale come evidenziato in Fig. 8. Gli errori di

7 posizionamento si possono rintracciare plottando i picks in una diagramma TWT 2 /X 2. Se le tracce fossero nella loro reale posizione i picks si dovrebbero trovare su una retta che rappresenterebbe la velocità del segnale in mare. Dal momento che questo non succede si procede iterativamente a correggere l offset a partire dai picks più lontani riportandoli su una retta calcolata usando i minimi quadrati su tutti i punti dello scoppio e successivamente mediata arealmente. Spostato il primo gruppo di picks si procede nuovamente con i minimi quadrati e si sposta il successivo gruppo i picks più lontani. L operazione di smoothing della distribuzione delle velocità e l iterazione del ciclo di correzioni garantisce di non forzare le correzioni rispettando la fluidità dei movimenti del sistema di acquisizione. Le correzioni di offset consentono di eliminare la segmentazione delle sezioni stack finali ottenendo dati facilmente interpretabili. I risultati su dati reali sono decisamente incoraggianti. Volumi sismici 3D trattati utilizzando le correzioni dedotte con i metodi descritti mostrano un deciso aumento della qualità globale dei dati, rispetto agli stessi dati processati nello stesso modo ma senza la fase di preprocessing oggetto di questa nota. Nel confronto di Fig. 9 i segnali sono molto più chiari in sezione ma il miglioramento è senz altro più evidente considerando le time-slices. Nel caso a sinistra dove le correzioni non sono state applicate, difficilmente è possibile individuare qualche riflettore. Diversamente, nell immagine a destra i bordi del canale oggetto di studio sono facilmente delineabili. Anche nella time slice relativa alla base del canale, è possibile rilevare una maggiore coerenza dei segnali, focalizzati lungo un asse diagonale che risulta più disperso invece nell immagine a sinistra. Fig. 9 - Confronto tra volumi stack 3D senza (sinistra) e con le correzioni descritte (destra). CONCLUSIONI Sono state sviluppate ed estese al caso tridimensionale alcune tecniche di preprocessing che possono risultare molto utili nel correggere gli inevitabili errori di posizionamento dei sistemi di acquisizione di dati sismici 3D ad altissima risoluzione in mare. Queste tecniche utilizzano la ridondanza dei dati tipica della sismica multicanale per derivare una serie di correzioni statistiche utilizzando soltanto i tempi TWT delle riflessioni del fondo mare. I risultati dell applicazione di queste correzioni su dati reali hanno dimostrato la validità del metodo sviluppato. Sebbene il metodo sia stato sviluppato per il caso della sismica ad altissima risoluzione, se ne vedono

8 possibilità d applicazione anche nel caso della sismica convenzionale, a rendere integrabili dati su una stessa area provenienti da survey con caratteristiche diverse o in time-lapse. BIBLIOGRAFIA Diviacco P., Rossi G., Sinceri R., Wardell N.; 1998: Determinazione di correzioni statiche su dati sismici marini ad alta risoluzione. In: GNGTS 98. Diviacco P., Rossi G., Sinceri R., Wardell N.; 1999: Tecniche di pre-processing per dati sismici marini 3D ad alta risoluzione. In: GNGTS 99. Wardell N., Diviacco P., Sinceri R.; 2000: Preprocessing corrections on very high resolution 3Dmarine seismic data. In: EAGE Wardell N., Diviacco P., Sinceri R.; 1999: Determination of static corrections on very high resolution marine data. In: EAGE 1999.