Improved Subsurface Resolution by Controlled Marine Seismic Stimulation

Tradisjonelle impulsive marine kilder består av en matrise av luftkilde-elementer som er spesielt designet slik at forholdstallet mellom maksimumsenergien og nivået på energien som etterfølger denne er så høyt som mulig. Denne typen kilde har et amplitudenivå på den lav-frekvente energien som ikke alltid er tilstrekkelig til å produsere høy-kvalitets seismiske bilder. Energien fra luftkilden sprer seg likt ut i alle retninger som seismiske bølger og noe av energien blir reflektert av havoverflaten der bølgefeltets polaritet blir invertert. Dette fører til et samlet nedadgående bølgefelt med vesentlig lavere amplitude på gitte frekvenser som igjen gir redusert bildeoppløsning. I tillegg, en god del av energien vil også bli reflektert av havbunnen og den totale energien i vannkolonnen kan ofte være høy. Marine vibratorer er ikke-impulsive kilder som genererer energi for gitte frekvenser til en gitt tid fra motsatt plasserte vibrerende flater rundt et lukket hulrom. Flatene kan bli konfigurert til å vibrere synkront ved å forandre volumet til hulrommet, dette resulterer i en monopol-kilde, eller a-synkront ved å flytte på hulrommet som vil resultere i en dipol-kilde. Den naturlige komplementære adferden til disse to kildetypene, der havoverflaterefleksjonen vil henholdsvis være i mot-fase og i med-fase med det direkte nedadgående bølgefeltet, kan kombineres for å sende ut et samlet bølgefelt som er rettet direkte nedover og der overflaterefleksjonen blir kansellert. Denne kilden vil kunne bli konfigurert slik at energien blir fokusert på bestemte områder i undergrunnen der man er mest interessert i å avbilde de geologiske formasjonene. På denne måten sikrer man en høy oppløsning i avbildningen av undergrunnen også i de områdene hvor det har vist seg å være vanskelig å produsere gode avbildninger på grunn av for svak gjennomtrenging/belysning, som f. eks. i Barentshavet. I begynnelsen av prosjektet har vi anvendt resiprositet for to tilstander for å utlede trykkbølgefeltet generert av en marine vibrator ut i fra akselerasjonen til vibratorplatene for alle posisjoner innenfor et definisjonsområde. I vår utledning kan vi identifisere to spesialtilfeller av det genererte bølgefeltet fra de vibrerende platene. Et tilfelle med en monopolkilde hvor de vibrerende platene beveger seg anti-synkront og et tilfelle med en dipolkilde hvor de vibrerende platene beveger seg synkront. Ideelle monopol- og dipol-kilder har komplementære refleksjoner fra havoverflaten. Denne egenskapen har blitt demonstrert og analysert for forskjellige kildedyp og forskjellige avstander mellom kilde og mottaker ved bruk av analytisk modellering. Vi kan demonstrere hvordan kilde-ghosten kan elimineres ved å kontrollere bevegelsen til vibrator-platene. For å generere syntetiske seismiske data, må kildebølgefeltet propageres ned i undergrunnen ved å løse bølgeligningen og bølgefeltet beregnes i ønskede mottakerposisjoner. Vi har i dette prosjektet startet tilpasningen av allerede eksisterende modelleringsverktøy, basert på diskretisering av bølgeligningen, for å kunne modellere bevegelige marine vibratorer. Resultatene viser korrekt det forventede skiftet i frekvens og amplitude som følge av Dopplereffekten. De syntetiske seismiske data ble brukt til å justere prosesseringparametre og prosesseringverktøy samt til å validere nye utviklingstrinn. Vi har utført en elementmetode simulering av en dipolkilde. I tillegg har vi utviklet et konsept for en demonstrator-dipol. Vi har utføre grunnleggende dimensjonering av demonstratoren. Vi har videreført forskningsaktiviteten med mekanisk design ved å utvikling av en simmuleringsmodell for en av de kritiske komponenter. Denne modellen har fasilitert forskningsstudiene om hvordan man lager et pålitelig system. Vi har i tillegg utvilet følgende metoder og modeleringsverktøy for marine vibratorer: -Effektiv kilde dekonvolusjon basert på kontinuerlige pseudo-randominisert kilde sekvenser -Marine vibrator kontinuerlig data prossesering -Modellering av transversal dipol vibrator kilde Til sammen fem utvidete abstrakter har blitt sendt inn til konferansene EAGE og SEG i 2019. Som et resultat av Covid-19-pandemien ble PGS sitt 2020-budsjett for forskningsaktiviteter kraftig redusert. Prosjektets omfang ble forandret og avsluttet tidligere enn planlagt. Den opprinnelige planen var å utføre en geofysisk studie der mono- og dipolkilder ble brukt. Slike studier er meget kostbare så etter avtal med forskningsrådet ble det beslutet å utførte eksperimentet i laboratorie i stedet. Vi designet og konstruerte en kombinert mono/dipol. Den ble brukt til å generere akustiske data så vi senere delvis kunne validere verktøy utviklet tidligere i prosjektet. En fullsskala prototype test der det genereres seismiske data vil være nødvedig for en fullstendig validering av de utviklede verktøyene. Forretningsideén står fremdeles sterkt, og under riktige forutsetninger vil projektet bli sluttført.

The project has generated knowledge and taken the industry a step closer to a commercial non-impulsive source. Several papers, reports and patent applications has been submitted during the project. The design files and hardware has been stored in a systematic manner. The developed software tools are well documented.

Conventional seismic sources of airgun arrays are set up such that the energy released into the water has a high peak-to-bubble ratio. The released energy propagates as seismic waves outwards, omnidirectional from the ideal center of the source. A part of the energy is reflected by the sea surface causing spurious ghost reflections which causes frequency notches and reduces the subsurface resolution. Some part of the energy is reflected by the seafloor leading to high amount of energy propagating in the water column, which can be hazardous to marine life. The amount of trapped energy in the water layer increases for shallow water and hard sea floors, where seismic wavefields from point sources reach critical angles very fast leading to subsurface penetration problems. We propose a method of controlled seismic subsurface stimulation by downward propagating the source wavefield from tuned marine vibrator arrays of monopole and dipole-type of elements and by focusing the source energy at desired subsurface locations and frequency bands. Hhence, this will remove the source ghost and it will help to better resolve subsurface structures and physical properties in areas that are difficult to image as a result of weak penetration/illumination, for example Barents Sea. At the same time the controlled subsurface stimulation will reduce the environmental impact of marine seismic sources. This technology will be validated both by in-sea and in-air lab experiments. For the in-air lab experiments, the source size and frequency range will be adjusted accordingly. Moreover, we develop and validate key processing and imaging prototype tools needed to handle the new type of source and data generated by it. With increasingly strict environmental policies regarding seismic exploration and market downturn for oil service providers, the most important innovation challenges for the global operators is to develop cost-efficient, environmentally friendly and effective seismic exploration technologies. The proposed technology is capable of opening new market opportunities in mature licensed areas, as well as new and unexplored areas with hard or geologically complex structures, and may be a triggering factor for a huge potential value creation in the market of advanced marine seismic.