Seismische Geschwindigkeitsmessungen in Tiefbohrungen nun auch mit VIBROSEIS

Seit der Einführung des VIBROSEIS-Verfahrens im September 1964 war uns kaum Gelegenheit gegeben worden, die Anwendung dieses Verfahrens auch bei seismischen Geschwindigkeitsmessungen in Tiefbohrungen zu erproben, d. h. für Laufzeitmessungen zwischen Sender (Vibrator an der Oberfläche) und Empfänger (Geophon in der Bohrung). Offenbar muß gefordert werden, daß das auszuwertende Signal:

Since the introduction of the VIBROSEIS-method in September 1964 we hardly had a chance to test the application of this method in seismic well-velocity surveys, i. e. in travel-time measurements between emitter (vibrator at the surface) and receiver (geophone in the weil). ObviousIy, the following three essential demands have to be satisfied: the signal to be interpreted

• hinreichend große Amplitude gegenüber der allgemeinen seismischen Unruhe besitzt,
• in seiner Form klar definiert ist und
• frei von instrumentell bedingten Laufzeitverfälschungen ist, die durch analoge Frequenzfilter verursacht werden

Nach Erfüllung dieser Forderungen konnten im Jahre 1974 die ersten VIBROSEIS-Geschwindigkeitsmessungen in Tiefbohrungen angeboten und durchgeführt werden.

Die erste Bedingung konnte durch den Einsatz eines von der PRAKLA-SEISMOS entwickelten Versenkgeophons erfüllt werden, das mit einem Andrucksystem versehen ist. Dieses Andrucksystem ist die Voraussetzung für die ausreichende übertragung der vom Vibrator an der Erdoberfläche erzeugten relativ geringen Energie auf das im Bohrloch befindliche Geophon. In der Praxis hat sich gezeigt, daß mit nur einem Vibrator in der Regel schon bei 8facher vertikaler Stapelung sehr brauchbare Ergebnisse erzielt werden können. Die beiden anderen Bedingungen werden durch die Anwendunng eines gewissen "Tricks" erfüllt, von dem im folgenden die Rede sein wird.

Beim VIBROSEIS-Verfahren ist immer in Betracht zu ziehen, daß ein mehrere Sekunden langes sinusartiges Signal relativ geringer Energie mit steigenden oder fallenden Frequenzen im Bereich von etwa 6 Hz bis 140 Hz den Weg: Signalgenerator im Meßwagen -Funkstrecke -Vibrator -Erdboden -Geophone -seismische Feld-Meßapparatur durchläuft. Erst danach erfolgt durch den Korrelationsprozeß die Umsetzung des langen Signals in einen lesbaren kurzen Korrelationsimpuls. Theoretisch entspricht die Position der Maximalamplitude dieses Impulses. auf der Zeitachse dem zeitlichen " Einsatz" des sprengseismischen Signals. In der Praxis aber liegt die Maximalamplitude des VI BROSEIS-Korrelations-Signals etwa an der gleichen Stelle wie das Minimum (oder Maximum, je nach Polung der Apparatur) in der Impuls-Seismik, weil auch das aus dem Boden zurückkehrende VIBROSEIS Sweep-Signal der analogen Frequenzfilterung im seismischen Vorverstärker unterworfen wird. Insofern gibt es keine prinzipiellen Unterschiede in den Reflexionslaufzeiten zwischen impulsseismischen und VIBROSEIS-Profilen.

Bei der normalen VIBROSEIS-Reflexionsmessung wird das zur Korrelation benutzte Originalsignal direkt vom Steuersignalgenerator zum Magnetband übertragen (Weg A, Fig. 1). Die entsprechende Autokorrelation ergibt den Null-Bezug. Das durch den Vibrator auf den Erdboden übertragene Signal durchläuft den Weg C: Sweep-Generator -Funkstrecke -Vibrator - Erdboden -Geophone - Meßwagen (mit den Verstärker-und Filtereinheiten). Auf dem Weg durch diese Systeme erleidet das Signal Veränderungen in Form und Phasenlage, insbesondere in der Verstärker-und Filtereinheit, die dem auf das Magnetband (auf dem Weg A, Fig. 1) direkt übertragenen Originalsignal nicht anhaften. Somit kommt es bei der Kreuzkorrelation von A mit C (A' * C) erstens zu bildlichen Veränderungen des Korrelationsimpulses, zweitens zu einer Laufzeitverlängerung infolge der Passage des Sweep-Signals durch die seismische Verstärker-und Filtereinheit auf dem Weg C. Damit ist -wie schon gesagt in der Praxis die Gleichheit in der Signallage mit der konventionellen Seismik hergestellt.

Bei konventionellen Bohrlochmessungen mittels Sprengimpulsen wird aber nicht das erste Schwingungsminimum, sondern der erste Einsatz ausgewertet, d. h. die frühest erkennbare Auslenkung der seismischen Spur aus der Ruhelage. Diese Auswertung ergibt die Laufzeit zwischen Impuls-Aussendung und dem Eintreffen des Impulses beim Bohrlochgeophon, und ermöglicht damit die Bestimmung der Geschwindigkeit längs des seismischen Strahls.

Eine derartige Ersteinsatz-Zeitbestimmung ist beim bisherigen VIBROSEIS-Verfahren nicht ohne weiteres möglich, denn die Lage des Korrelationssignals entspricht -nach oben gesagtem -etwa der Lage des Schwingungsminimums (oder -maximums) der Impulsseismik und nicht der Lage des Einsatzes. Der Betrag, um den der VIBROSEIS-Korrelationsimpuls hinter dem Ersteinsatz der Impulsseismik lie.gt, läßt sich nun, relativ einfach bestimmen, und zwar mit Hilfe der Meßapparaturen im Feldbetrieb.

• must have a sufficiently large amplitude compared with the general seismic background noise
• must be clearly defined in its form
• must be free of delays caused by analog frequency filters in the seismic instruments.

After satisfying these requirements, the first VIBROSEISvelocity surveys in deep wells could be offered to our clients and performed in 1974.

The first condition could be met by using a well geophone developed by PRAKLA-SEISMOS, which is equipped with a c/amp system. This clamp system is necessary for a proper transfer of the relatively low energy - produced by the vibrator at the surface - on the geophone in the borehole. Practice has shown, that -using only one vibrator - rather satisfying results can be obtained in general by using 8fold vertical stack only. The other two demands are met by a certain "trick", which will be treated in the following.

With the VIBROSEIS-method one always has to keep in mind, that a sinusoidal signalof low energy and of several seconds duration with increasing or decreasing frequencies in the range between about 6 Hz and 140 Hz travels along the following path: signal generator in the survey truck - wireless signal transmission - vibrator - earth - geophones - seismic field recording instruments. Only then, the longlasting signal is transformed into a readable short correlation impulse by the correlation process. Theoretically, the position of the maximum amplitude of this impulse on the time axis corresponds to the arrival time (first break) of the explosion-seismic signal. But in practice the maximum-amplitude value of the VIBROSEIS correlation signal is found at approximately the same time as the minimum (or maximum, depending on the polarity of the instruments) in impulse seismics, because also the VIBROSEIS sweep-signal -returning out of the earth - is exposed to the analog frequency filter process in the seismic preamplifier. So far, there are no basic differences between the reflection travel-times in impulse-seismic and VIBROSEIS time sections.

In normal VIBROSEIS reflection-surveys the original signal used for correlation, is directly transferred from the sweep-signal generator to the magnetic tape (path A, figure 1). The respective autocorrelation yields the zero reference. The signal, injected to the earth by the vibrator, passes the following stations (path C): sweep generator - wireless signal transmission - vibrator - earth - geophones - recording truck (with amplifier - and filter units). On its way through these systems, in particular in the amplifier-and filter unit, the signal undergoes changes in its form and phase, which are not inherent to the original signal directly transferred on the magnetic tape (via path A in figure 1). Due to the correlation process (A' * C) the correlation impulse is changed in its shape as weil as delayed in time, because of the passage of the sweep signal through the seismic amplifier - and filter unit along path C. Thus - as already stated - in practice the identity with conventional seismies is established relative to the signal position.

In conventional well-velocity surveys using explosion impulses, however, not the first trough or peak, but the first break is evaluated, that is the first recognizable deviation of the seismic trace from its zero-position. This evaluation yields the travel time between impulse-emission and the arrival of the impulse at the borehole-geophone, and thus enables the determination of the velocity along the seismic ray-path.

With the VIBROSEIS-system as used hitherto, such a firstbreak time determination is not possible in a straight forward manner, because the time-position of the correlation signal approximately corresponds to the position of the amplitude minimum (or -maximum) and not to the position of the first arrival. Now we found out that, as explained in the preceding text, the amount of lag of the VIBROSEIS correlation-impulse behind the first event of the seismic impulse can easily be determined with the help of the field-recording instruments. If - instead of the auto correlation (A' * A) used for the zero-time reference one uses a cross correlation (A' * B) of an unfiltered with a filtered sweep, the impulse maximum is shifted away from the genuine zero-time reference position (see figure 2).

Denn wenn man anstatt der für den Nullzeit-Bezug verwendeten Autokorrelation von A (A' * A) die Kreuzkorrelation von A mit B (A' * B), also die eines ungefilterten mit einem gefilterten Sweep verwendet, dann erhält man eine Verschiebung des so entstandenen Impulsmaximums von der eigentlichen Null-Position (siehe Fig. 2). Dieser Verschiebungs-Betrag ist der Korrekturwert, um den die Laufzeit des Kreuzkorrelationsimpulses aus Originalsweep A und ankommendem Sweep C (A' * C) verkürzt werden muß, um den "wahren ersten Einsatz" zu simulieren. Außerdem sind infolge der gleichartigen Kreuzkorrelationen von gefilterten und ungefilterten Signalen (A' * B) bzw. (A' * C) die entsprechenden Korrelationsimpulse einander sehr ähnlich geworden und lassen sich eindeutig für die Bestimmung der Laufzeitdifferenz zwischen beiden verwenden.

Das Prinzip der Kreuzkorrelation mit gefiltertem Sweepsignal ist mit Vorteil auch bei VIBROSEIS-Routinemessungen anwendbar. Das Verfahren ist allerdings etwas anders. Da hierbei die Korrelationen mittels Rechner im Datenzentrum gemacht werden, sind andere Arten von Korrelationen möglich, nämlich eine direkte Kreuzkorrelation des durch den Boden gelaufenen Sweeps mit einem gefilterten Sweep (B' * C) und eine Autokorrelation des gefilterten Originalsweeps (B' * B) für den "Abriß" . Infolge der Kreuzkorrelation (B' * C) wird die Signalverzögerung durch Filterung vermieden.

Der Korrelationskoeffizient ist wegen der größeren Ähnlichkeit von ankommendem und gefiltertem Vergleichssignal größer und das Signal-Stör-Verhältnis wird dadurch besser. Außerdem fallen die Filterdelayzeiten an den Reflexionssignalen weg. Das mag als ein Nachteil erscheinen, weil derartige Laufzeiten die Verknüpfungen mit älteren VIBROSEIS-Messungen oder impulsseismischen Messungen erschweren. Andererseits wären derartige Laufzeitmessungen wegen des Fortfalls frequenzabhängiger Zeitverzögerungen zweifellos ein Schritt nach vorn auf dem Wege aus Reflexionsseismogrammen direkt ein Dichte-Geschwindigkeits-Log (QvLog) abzuleiten.

This amount of shifting is the correction which has to be applied to reduce the travel time indicated by the cross-correlation impulse derived from the convolution of the original sweep with the recorded sweep signal (A' *C), to get the time of the "true first event". Moreover, because of the correspondance of the cross correlations of filtered and unfiltered signals (A' * B) and (A' * C), respectively, both correlation impulses have become very similar to each other and can unambiguously be used for the determination of the respective travel-time difference.

The principle of the cross correlations using filtered sweep signals is also applicable with some advantage in VIBROSEIS routine-surveys. The method, however, is slightly different. As the correlations are made in the data center by means of a computer, other kinds of correlation can be carried out, i. e. a cross correlation of the sweep which had passed through the earth with a filtered sweep (B' * C), and an auto correlation of the filtered original sweep (B' * B) to define the "time break". Thus, the time delay caused by filtering is avoided, since both, Band C, have been exposed to the same filtering.

Because of the greater similarity of arriving signal and filtered comparison signal, the correlation coefficient between them is better and the signal-to-noise ration is enhanced. Furthermore, the filter-delay times at the reflection signals are not present anymore. This may seem to be a disadvantage because such travel times complicate the tie to previous VIBROSEIS surveys or conventional surveys. On the other hand such travel-time surveys would be -due to the absence of frequency-dependant time delay - doubtlessly an approach on the way to directly derive a density-velocity log (Q V log) from a reflection seismogram.