Uygun vibro sinyali kullanarak zayıf yansımaların güçlendirilmesi

Abstract

Petrol endüstrisinin, sismik yöntemlerin gelişmesine büyük katkısı olmuştur. Sismik yöntemin gelişim süreci içerisinde, yöntemi daha etkili ve kullanışlı hale getirmek için çeşitli enerji kaynakları denenmiştir. Bunlar arasında en yaygın kullanılanı, impulsif bir etkisi olan dinamit olmuştur. Fakat bu çok güçlü enerji kaynağının bir takım sorunlarda beraberinde getirmesi sismik yöntemle uğraşanları yeni enerji kaynağı aramaya yöneltmiştir. Continental Oil Company tarafından 1960'lı yıllarda geliştirilen Vibrosismik yöntem bu kaynak arayışının sonucunda ortaya çıkmıştır. Vibrosismik yöntemin geliştirilmesini hazırlayan önemli ilerlemelerin başında çapraz-ilişki yönteminin geliştirilmesi ve bunun sismik yöntemde uygulanması gelmektedir. Vibrosismik yöntemin en büyük avantajı kontrollü bir kaynak oluşudur. Bu yöntemde vibratörler tarafından sabit genlikli, frekansı ve süresi kontrol edilebilen sinyaller üretilmektedir. Vibrosismik yöntemde kaynak dizaynı, elektro-mekanik bir sistemi kullanarak sinyal dönüşümü yapan ve yere kontrol edilebilen bir sinyal gönderen vibratörlerle, jeofonlar yardımıyla alınan çıkış sinyalini kaydeden ve bütün vibrosismik çalışmayı denetleyebilen bir kayıt denetim aracından oluşmaktadır. Vibrosismikte kullanılan sinyal, vibrator tarafından frekansı yavaş yavaş değişen dalgaların bir dizi halinde yere verilmesidir. Sweep sinyalinin en önemli parametreleri; sinyal süresi, frekans bandı, sinyalin başlangıç ve bitiş kısmına uygulanılan pencere fonksiyonudur. Bu üretilen sinyallerin gücünün düşük olmasına karşın, sinyal süresi uzundur. Tabaka ara yüzeylerinden yansıyıp gelen bu sinyal, sismik kesitleri bilinen tarzda inceleyebilmek için bir puis içine sıkıştırılır. Bu puis, Klauder Dalgacığı vııı olarak literatüre geçmiştir (Klauder,Price,Darlington,Albershem, 1960). Ayrıca, giriş sinyaline uygulanılan pencere fonksiyonlarıyla, Klauder dalgacığında görülen istenmeyen yan salınımlar giderilmektedir. Kullanılan sismik enerji kaynaklarıyla karşılaştırıldığında vibrosismik yöntemin oldukça karışık olduğu görülmekle birlikte, yanında getirdiği avantajları da oldukça fazladır. Başlıca avantajı çok ekonomik ve yıkıcı olmayan bir enerji kaynağı oluşudur. Yerleşim bölgelerinde, yol kenarlarında rahatlıkla herhangi bir zarar vermeden uygulanabilmektedir. Aranılan jeolojik yapıların özelliklerine göre sinyal dizaynına izin vermekte ve aynı noktada birden fazla kayıt alınarak bunların yığılmasıyla sismik verideki Sinyal/Gürültü oranının iyileştirilmesi sağlanmaktadır. Bu nedenle, kayıt aracında bir yığma aleti bulunur. Bununla beraber, kaydedilen sinyal farklı yansıtıcı yüzeylerden alınan sinyallerin toplamı olduğu için bir korelatörle ayırma işlemi yapılır. Vibratörün sinyal frekansı üzerinde kontrol yeteneğine sahip olması, ilgilenilen tabakalardan daha kaliteli kayıt alınmasını kolaylaştırmaktadır. Doğal olarak bu yönteminde kendine göre bazı dezavantajları vardır; sismik kesitlerde görülen yüzey dalgaları, statik düzeltme için kuyu atışları ve kırılma çalışmalarını gerektirmesi, vibrator tablası ile yer arasındaki düzensiz davranış, çok dağlık arazilerde uygulama zorluğu gibi istenmeyen durumlar da söz konusudur. İlişkilendirilmiş kayıtta, kaynağın ürettiği bozucu etki görülmektedir. Vibrator tablasının kısmi düzensizliği, zeminin rezonansı ve servo-hidrolik sistemdeki doğrusal olmayan nedenlerden dolayı, bir takım harmonikler oluşmaktadır. Vibrosismik yöntemde çeşitli sweep türleri kullanılmaktadır. Bunların bir çoğu matematiksel formülasyonlarıyle birlikte tanımlanmışlardır (Goupillaud, 1960). Bunları genel olarak dorusal ve doğrusal olmayan sweep diye ikiye ayırmak mümkündür. Doğrusal sweep'ler, yukarı doğru artan veya aşağı doğru azalan sweep'ler olarak tanımlanırlar. Doğrusal olmayan sweep'ler; eksponansiyel, logaritmik, kuadratik, karekök, kombi.kodlanmış sweep teknikleridir. Her birinin özellikleri farklı olduğu için yer içinden getirecekleri bigilerde farklı ix olacaktır. Bu nedenle, sweep'ler ilgilenilen sahanın jeolojik özelliklerine göre seçilir. Bunların en yaygın kullanıma sahip olanı doğrusal sweep'lerdir. Ancak sorunlu sahalarda doğrusal olmayan sweep'lerin kullanımı tercih edilir. Son zamanlarda en yaygın kullanılanı Kombi sweep'lerdir. Bu sweep türünde farklı frekans bandlarında doğrusal sweep'ler verilerek daha kaliteli kayıtlar elde edilmeye çalışılmaktadır. Kombi sweep'te bazı frekanslara daha fazla enerji vererek ilgili tabakalardan daha iyi yansımalar almak istenmektedir. Sinyal hazırlanmadan önce çeşitli test çalışmaları yapılarak arazide uygulanılacak Kombi sweep için gerekli parametreler belirlenilir ve ilgili sweep üretilir. Bunun güç spektrumuna bakıldığında bazı frekansların güçlendirildiği bazılarının ise zayıflatıldığı görülür. Bu sweep iyi düşünülmüş olmasına karşın diğerlerinin aksine pratik olmaktan uzak ve doğrusal sweep'in taşıdığı bazı yan etkileride içerebilecek karakterdedir. Bu tez çalışmasında, önce çeşitli klasik sweep türleri (doğrusal, eksponansiyel, logaritmik) üretilmiş ve sweep sinyalinin karekteri anlaşılamya çalışılmıştır. İlk olarak incelenen doğrusal sweep'te, anlık frekans, zamanın doğrusal fonksiyonu olarak artmakta veya azalmaktadır. Bunun sonucu olarak ta bütün frekans değerlerinde eşit zaman harcanmış olur. Bu da doğrusal sweep'in güç spektrumunun masa gibi düz çıkmasına neden olmaktadır. Diğer incelenen sweep türü ise logaritmik sweep'tir. Bu sweep'te anlık frekansla zaman arasındaki ilişki logaritmik olarak değişen bir eğriyle ifade edilir. Bu sweep'in güç spektrumuna bakacak olursak, yüksek frekansların alçak frekanslara nazaran daha güçlü olduğunu görürüz. Bunun nedenini anlayabilmek için önce anlık frekansın zamanla logaritmik şekilde değişimini irdelememiz gerekir. Bilindiği üzere sweep belirli bir frekans değerinden başlar ve belirli bir frekans değerinde bitirilir. Logaritmik sweep incelendiğinde, vibrator, bu frekans bandının ikinci yarısında, ilk yarısına nazaran daha fazla zaman harcamakta ve dolayısıyle daha fazla enerji vermektedir. Logaritmik sweep'in bu özelliği, yüksek frekansların güçlendirilmesini gerektiren bölgelerde elverişli olabilmesidir. Son olarak incelen sweep türü ise Eksponansiyel sweep olmuştur. Bu sweep türünde de, Logaritmik sweep'teki durumun tam tersine anlık frekansla zaman arasındaki ilişki eksponansiyel olarak değişen bir eğriyle verilmektedir. Bu sweep'in güç spektrumuna bakıldığı zaman, alçak frekanslardaki güç yoğunluğunun daha fazla olduğu görülür. Bunun nedeni incelendiğinde, Logaritmik sweep'teki değişimin tam tersine, vibrator, bu sweep'in üretimi esnasında, frekans bandının ilk yarısında (alçak frekanslarda), ikinci yarısına nazaran daha fazla zaman harcar. Bu da alçak frekanslara daha fazla enerji verilmesine neden olur. Bu noktadan hareketle, sweep'in frekans bandı içerisinde, istenilen frekans aralığının kontrol edilebileceği (Kısmi olarak Kombi sweep'te yapılmaya çalışılan) ve dolayısıyle bu frekans aralığına karşı gelen tabakalardan elde edilen yansımaların genliklerinin güçlendirilebileceği veya zayıflatabileceği varsayımı yapılmıştır. Bu varsayımdan yola çıkarak önce bu tarzda bir sweep'in anlık frekansının zamanla nasıl değişmesi gerektiği anlaşılmaya çalışılmıştır. Önce doğrusal sweep'in anlık frekans-zaman eğrisi üzerine bir Gauss eğrisi oturtulmuş ve güç spektrumunda ilgili frekans aralığında beklenen yükselimin sağlandığı gösterilmiştir (Boz, 1990). Ancak olayın fiziği incelendiğinde, aslında anlık frekansla zaman arasındaki ilişki parçalı-doğrusal (kırıklı) bir eğri ile ifade edilebilmektedir. Bu eğri çeşitli uzunluklarda doğru parçalarının arka arkaya birleştirilmesiyle elde edilmiş bir eğridir. Bu düzenleme sonucu elde edilen sweep türüne parçalı-doğrusal sweep denir. Bu sweep düzenlenirken önce bir frekans bandı belirlenir. Sweep'in anlık frekansının, bu frekans bandı boyunca zamanla doğrusal değiştiği varsayılır. Sonra da hangi frekans aralığı güçlendirilmek veya zayıflatılmak isteniyorsa isteniyorsa bu aralığa denk gelen anlık frekans- zaman doğrusunun eğimi belirli oranlarda değiştirilir. Seçilen bu frekans aralığındaki doğrunun eğimi değiştirilerek, sweep'in güç spektrumundaki bu frekanslar güçlendirilmiş veya zayıflatılmış olurlar. Güç spektrumunda, bu seçilen aralıktaki güçlenme, söz konusu aralığa denk gelen frekanslarda, diğer frekanslara göre daha fazla zaman geçirildiği içindir. Aynı şekilde güç spektrumunda, seçilen frekans aralığındaki zayıflatma, bu aralığa denk gelen frekanslarda, diğer frekanslara göre daha az zaman harcandığı içindir. XI Bu aşamadan sonra, geliştirilen parçalı-doğrusal sweep kullanılarak daha önce bahsedilen, düşük hız kontrastlı ince tabakalardan gelen zayıf yansımalar güçlendirilmeye çalışılmıştır. Bunun için de belirli bir jeolojik model üzerinde çalışılmıştır. Seçilen jeolojik model yatay tabakalardan oluşmuştur. Model, 1000 m/s hız kontrastına sahip iki büyük süreksizlik ve 100 m/s küçük hız kontrastına sahip her biri yaklaşık 20 m. kalınlığında olan 26 ince tabakadan oluşmuştur. Sonra bu tasarlanan jeolojik modelin, sadece birincil yansımalar ve iletimler göz önüne alınarak yansıma katsayıları serisi hesaplanmıştır. Klasik doğrusal sweep, bu yansıma katsayıları dizisine uygulandığında, düşük hız kontrastlı ince tabakalardan gelen yansımaların çok zayıf olduğu görüldü. Amaç bu zayıf yansımaları güçlendirmek olduğu için, yansıma katsayıları serisinin genlik spektrumu detaylı olarak incelenmiş ve bu zayıf yansımaların frekans içeriği anlaşılmaya çalışılmıştır. Uygun parçalı- doğrusal sweep oluşturularak, bunu modelin yansıma katsayıları serisine uyguladığımızda hedef tabakalardan gelen yansımaların yavaş yavaş güçlenmeye başladığı görülmüştür. Aynı işleme devam edildiğinde hedef tabakalardan gelen yansımaların tamamıyle güçlendiği gözlenmiştir. Bu oluşturulan sweep'te herhangi bir pencere fonksiyonu kullanılmamıştır. Eğer bir pencere fonksiyonu kullanılsaydı, büyük hız kontrastlı süreksizliklere denk gelen Klauder dalgacığının yan salınımları daha da bastırılmış olacaktı. Uygulamada Klauder dalgacığının istenmeyen bu etkilerinden kurtulmak için, yaklaşık 7 s.'lik bir sweep'in başı ve sonu tipik bir değer olan 500 ms.'lik bir pencere ile yumuşatılır. Daha önce verilen jeolojik modele ait tipik bir sismik kesit oluşturulmuştur. Bu kesit 20 CDP izi içermektedir. Kesitte hiç gürültü yokken hedef tabakalardan gelen yansımalar rahatlıkla görülebilmektedirler. Ancak sismik kesite yavaş yavaş beyaz gürültü eklenmeye başlandığında, bu zayıf yansımaların kaybolmaya başladığı görülmüştür. Gürültü oranı iyice arttırılarak bu zayıf yansımaların tamamıyle gürültü seviyesinin altında kaybolması sağlanmıştır. Bu uygulanan beyaz gürültü bütün frekans bandını etkileyecek şekilde düzenlenmiştir. Bu aşamadan sonra, tamamen gürültü içeren sismik kesitte, uygun parçalı doğrusal-sweep düzenlenerek gürültü seviyesinin altında kalmış olan zayıf yansımalar tekrar kazanılmaya çalışılmıştır. Bunun için, önce zayıf yansımaların olduğu ince tabakalara karşı gelen frekans aralığı bir miktar güçlendirilmiş ve sismik kesitte hedef seviyelerden gelen zayıf yansımaların, gürültüye rağmen belirmeye xıı başladığı görülmüştür. İlgili frekans aralığı daha da güçlendirildiğinde, bu zayıf yansımalar, kesitteki büyük gürültü seviyesine rağmen tekrar kazanılmış ve hatta daha da güçlendirilmiştir. Bu yapılan çalışmada, Vıbroseis pilot sweep'in uygun kullanımıyla, arazi çalışmaları sırasında sismik verilerin kaliteli bir şekilde toplanabileceği gösterilmiştir. Bu geliştirilen parçalı-doğrusal sweep'le sadece zayıf yansımalar güçlendirilmekle kalınmayıp, yerin soğurma etkisi de dengelenmiştir.

The severeness of decay in seismic wave amplitudes causes data quality problems especially when the signal to noise ratio (S/N) is low. The decay in seismic wave amplitudes is due to weak reflection coefficients, transmission losses, geometrical spreading, absorption, and stratjgraphic filtering. Once the data is acquired with poor S/N ratio, there is not much the data processing techniques can do to improve the seismic data quality. Prior to data acquisition, the appropriate selection of the seismic source type and the source-receiver array designs contributes significantly to the quality of the seismic data. In this paper, the idea is to monitor the vibroseis pilot sweep, one of the widely used seismic energy source in the oil industry. The vibroseis, besides being a non-destructive energy source, it allows great flexibility in the design of the pilot sweep to be injected into the Earth. The monitoring of the pilot sweep is a very useful tool to shape the frequency response of the incoming seismic signals. Not only the amplitude decays due to various factors as cited above can be compensated for, but the enhancement of weak reflections from thin beds of possible hydrocarbon content may be achieved. The intervention to the frequency response of a seismic trace (either to enhance the seismic reflection amplitudes, or to weaken the power lines frequency pick-up) can be done simultaneously at more than one point within the pilot sweep frequency band. Some of the generated models prove the existance of such low reflection amplitudes. Subsequently, it is demonstrated that how those weak reflections from target thin beds can be enhanced using properly tuned (piece-wise-linear) vibroseis pilot sweeps.