La sismologia a riflessione è ampiamente utilizzata in un certo numero di campi e le sue applicazioni possono essere classificate in tre gruppi, ciascuno definito dalla loro profondità di indagine:

• Applicazioni vicino alla superficie – un’applicazione che mira a capire la geologia a profondità fino a circa 1 km, tipicamente utilizzata per l’ingegneria e le indagini ambientali, così come l’esplorazione di carbone e minerali. Un’applicazione più recentemente sviluppata per la riflessione sismica è per le indagini sull’energia geotermica, anche se la profondità di indagine può essere fino a 2 km di profondità in questo caso.
• Esplorazione di idrocarburi – utilizzato dall’industria degli idrocarburi per fornire una mappa ad alta risoluzione dei contrasti di impedenza acustica a profondità fino a 10 km nel sottosuolo. Questo può essere combinato con l’analisi degli attributi sismici e altri strumenti di geofisica di esplorazione e utilizzato per aiutare i geologi a costruire un modello geologico dell’area di interesse.
• Esplorazione mineraria – L’approccio tradizionale all’esplorazione mineraria vicino alla superficie (<300 m) è stato quello di impiegare la mappatura geologica, l’analisi geochimica e l’uso di metodi di campo potenziale aereo e terrestre, in particolare per l’esplorazione greenfield, negli ultimi decenni la sismica di riflessione è diventata un metodo valido per l’esplorazione in ambienti hard-rock.
• Studi crostali – indagine sulla struttura e l’origine della crosta terrestre, fino alla discontinuità di Moho e oltre, a profondità fino a 100 km.

Un metodo simile alla sismologia a riflessione che utilizza onde elettromagnetiche invece che elastiche, e ha una minore profondità di penetrazione, è noto come Ground-penetrating radar o GPR.

Esplorazione di idrocarburiModifica

La sismologia a riflessione, più comunemente chiamata “riflessione sismica” o abbreviata in “sismica” nell’industria degli idrocarburi, è usata da geologi e geofisici del petrolio per mappare e interpretare potenziali serbatoi di petrolio. Le dimensioni e la scala delle indagini sismiche sono aumentate insieme ai significativi aumenti di potenza dei computer dalla fine del XX secolo. Questo ha portato l’industria sismica dalla faticosa – e quindi rara – acquisizione di piccole indagini 3D negli anni ’80 all’acquisizione di routine di indagini 3D ad alta risoluzione su larga scala. Gli obiettivi e i principi di base sono rimasti gli stessi, ma i metodi sono leggermente cambiati nel corso degli anni.

Gli ambienti primari per l’esplorazione sismica degli idrocarburi sono la terra, la zona di transizione e il mare:

Terra – L’ambiente terrestre copre quasi ogni tipo di terreno che esiste sulla Terra, ognuno dei quali porta i suoi problemi logistici. Esempi di questo ambiente sono la giungla, il deserto, la tundra artica, la foresta, gli ambienti urbani, le regioni di montagna e la savana.

La zona di transizione (TZ) – La zona di transizione è considerata l’area dove la terra incontra il mare, presentando sfide uniche perché l’acqua è troppo bassa per le grandi navi sismiche ma troppo profonda per l’uso dei metodi tradizionali di acquisizione sulla terra. Esempi di questo ambiente sono i delta dei fiumi, le paludi e gli acquitrini, le barriere coralline, le zone di marea delle spiagge e la zona di surf. Le squadre sismiche della zona di transizione lavoreranno spesso sulla terraferma, nella zona di transizione e nell’ambiente marino di acque poco profonde su un unico progetto, al fine di ottenere una mappa completa del sottosuolo.

Marino – La zona marina si trova sia in aree di acque poco profonde (profondità d’acqua inferiori a 30-40 metri sarebbero normalmente considerate aree di acque poco profonde per operazioni di sismica marina 3D) o nelle aree di acque profonde normalmente associate ai mari e agli oceani (come il Golfo del Messico).

Acquisizione dati sismiciModifica

L’acquisizione dei dati sismici è la prima delle tre fasi distinte dell’esplorazione sismica, le altre due sono l’elaborazione dei dati sismici e l’interpretazione sismica.

I sondaggi sismici sono in genere progettati da compagnie petrolifere nazionali e internazionali che assumono società di servizi come CGG, Petroleum Geo-Services e WesternGeco per acquisirli. Un’altra società viene poi assunta per elaborare i dati, anche se spesso può essere la stessa società che ha acquisito il rilievo. Infine, il volume sismico finito viene consegnato alla compagnia petrolifera in modo che possa essere interpretato geologicamente.

Acquisizione del rilievo terrestreModifica

Le indagini sismiche marine tradizionali sono condotte utilizzandonavi appositamente attrezzate che trainano uno o più cavi contenenti una serie di idrofoni a intervalli costanti (vedi diagramma). I cavi sono noti come streamer, con indagini 2D che utilizzano solo 1 streamer e indagini 3D che impiegano fino a 12 o più (anche se 6 o 8 sono più comuni). Le stelle filanti sono dispiegate appena sotto la superficie dell’acqua e si trovano a una certa distanza dalla nave. La sorgente sismica, di solito un airgun o un array di airgun, ma altre sorgenti sono disponibili, è anche distribuita sotto la superficie dell’acqua e si trova tra la nave e il primo ricevitore. Due sorgenti identiche sono spesso utilizzate per ottenere un tasso di ripresa più veloce. Le indagini sismiche marine generano una notevole quantità di dati, ogni streamer può essere lungo fino a 6 o anche 8 km, contenente centinaia di canali e la sorgente sismica viene tipicamente sparata ogni 15 o 20 secondi.

Una nave sismica con 2 fonti e che traina un singolo streamer è conosciuta come Narrow-Azimuth Towed Streamer (o NAZ o NATS). Nei primi anni 2000, è stato accettato che questo tipo di acquisizione era utile per l’esplorazione iniziale ma inadeguato per lo sviluppo e la produzione, in cui i pozzi dovevano essere posizionati con precisione. Questo ha portato allo sviluppo del Multi-Azimuth Towed Streamer (MAZ) che ha cercato di rompere le limitazioni del modello di acquisizione lineare di un sondaggio NATS acquisendo una combinazione di sondaggi NATS a diversi azimut (vedi diagramma). Questo ha fornito con successo una maggiore illuminazione del sottosuolo e un migliore rapporto segnale-rumore.

Le proprietà sismiche del sale pongono un ulteriore problema per le indagini sismiche marine, attenua le onde sismiche e la sua struttura contiene sporgenze che sono difficili da immaginare. Questo ha portato ad un’altra variazione del tipo di sondaggio NATS, il wide-azimuth towed streamer (o WAZ o WATS) ed è stato testato per la prima volta sul campo Mad Dog nel 2004. Questo tipo di sondaggio coinvolgeva 1 nave che trainava esclusivamente un set di 8 streamer e 2 navi separate che trainavano le sorgenti sismiche che si trovavano all’inizio e alla fine dell’ultima linea di ricezione (vedi diagramma). Questa configurazione è stata “piastrellata” 4 volte, con la nave ricevente che si allontanava ogni volta di più dalle navi sorgente, creando alla fine l’effetto di un’indagine con 4 volte il numero di streamer. Il risultato finale è stato un set di dati sismici con una gamma più ampia di azimut più ampi, fornendo una svolta nell’imaging sismico. Questi sono ora i tre tipi comuni di indagini sismiche marine a strascico.

Acquisizione di indagini marine (ocean bottom seismic (OBS))Edit

L’acquisizione di indagini marine non è solo limitata alle navi sismiche; è anche possibile stendere cavi di geofoni e idrofoni sul fondo del mare in modo simile a come i cavi vengono utilizzati in un’indagine sismica terrestre, e utilizzare una nave sorgente separata. Questo metodo è stato originariamente sviluppato per necessità operative, al fine di consentire la realizzazione di indagini sismiche in aree con ostacoli, come le piattaforme di produzione, senza dover compromettere la qualità dell’immagine risultante. I cavi di fondo dell’oceano (OBC) sono anche ampiamente utilizzati in altre aree in cui una nave sismica non può essere utilizzata, per esempio in ambienti marini poco profondi (profondità dell’acqua <300m) e in zone di transizione, e possono essere distribuiti da veicoli subacquei azionati a distanza (ROV) in acque profonde quando la ripetibilità è importante (vedi 4D, sotto). Le indagini OBC convenzionali utilizzano ricevitori a due componenti, combinando un sensore di pressione (idrofono) e un sensore di velocità delle particelle verticali (geofono verticale), ma sviluppi più recenti hanno ampliato il metodo per utilizzare sensori a quattro componenti, cioè un idrofono e tre geofoni ortogonali. I sensori a quattro componenti hanno il vantaggio di poter registrare anche le onde di taglio, che non viaggiano attraverso l’acqua ma possono comunque contenere informazioni preziose.

Oltre ai vantaggi operativi, OBC ha anche vantaggi geofisici rispetto a un sondaggio NATS convenzionale che derivano dalla maggiore piega e dalla più ampia gamma di azimut associati alla geometria del sondaggio. Tuttavia, proprio come un’indagine terrestre, gli azimut più ampi e l’aumento della piega hanno un costo e la capacità di effettuare indagini OBC su larga scala è fortemente limitata.

Nel 2005, i nodi del fondo dell’oceano (OBN) – un’estensione del metodo OBC che utilizza ricevitori senza cavi alimentati a batteria collocati in acque profonde – è stato sperimentato per la prima volta sull’Atlantis Oil Field in una partnership tra BP e Fairfield Geotechnologies. Il posizionamento di questi nodi può essere più flessibile rispetto ai cavi in OBC e sono più facili da immagazzinare e distribuire grazie alle loro dimensioni più piccole e al peso inferiore.

Acquisizione time lapse (4D)Edit

Le indagini time lapse o 4D sono indagini sismiche 3D ripetute dopo un periodo di tempo. Il 4D si riferisce alla quarta dimensione che in questo caso è il tempo. Le indagini time lapse sono acquisite per osservare i cambiamenti del serbatoio durante la produzione e identificare le aree in cui ci sono barriere al flusso che potrebbero non essere rilevabili nella sismica convenzionale. Le indagini time lapse consistono in un’indagine di base e un’indagine di monitoraggio o ripetizione, acquisita dopo che il campo era in produzione. La maggior parte di queste indagini sono state ripetute con i sondaggi NATS perché sono più economiche da acquisire e la maggior parte dei campi storicamente aveva già un sondaggio di base NATS. Alcune di queste indagini sono raccolte utilizzando cavi di fondo dell’oceano perché i cavi possono essere accuratamente posizionati nella loro precedente posizione dopo essere stati rimossi. Una migliore ripetizione dell’esatta posizione della sorgente e del ricevitore porta a una migliore ripetibilità e a un migliore rapporto segnale/rumore. Un certo numero di indagini 4D sono state impostate anche su campi in cui i cavi del fondo dell’oceano sono stati acquistati e distribuiti in modo permanente. Questo metodo può essere conosciuto come life of field seismic (LoFS) o permanent reservoir monitoring (PRM).

OBN ha dimostrato di essere un altro ottimo modo per ripetere accuratamente un’acquisizione sismica. Il primo rilevamento 4D al mondo che utilizza i nodi è stato acquisito sull’Atlantis Oil Field nel 2009, con i nodi posizionati da un ROV in una profondità d’acqua di 1300-2200 m a pochi metri da dove erano stati precedentemente posizionati nel 2005.

Elaborazione dati sismiciModifica

Ci sono tre processi principali nell’elaborazione dei dati sismici: deconvoluzione, impilamento common-midpoint (CMP) e migrazione.

La deconvoluzione è un processo che cerca di estrarre la serie di riflettività della Terra, partendo dal presupposto che una traccia sismica è solo la serie di riflettività della Terra convoluta con filtri distorsivi. Questo processo migliora la risoluzione temporale facendo collassare l’ondulazione sismica, ma non è univoco, a meno che non siano disponibili ulteriori informazioni, come i log dei pozzi, o vengano fatte ulteriori assunzioni. Le operazioni di deconvoluzione possono essere effettuate in cascata, con ogni singola deconvoluzione progettata per rimuovere un particolare tipo di distorsione.

L’impilamento CMP è un processo robusto che utilizza il fatto che una particolare posizione nel sottosuolo sarà stata campionata numerose volte e a diversi offset. Questo permette a un geofisico di costruire un gruppo di tracce con una gamma di offset che campionano tutte la stessa posizione del sottosuolo, nota come Common Midpoint Gather. L’ampiezza media viene poi calcolata lungo un campione di tempo, con il risultato di abbassare significativamente il rumore casuale ma anche di perdere tutte le preziose informazioni sulla relazione tra ampiezza sismica e offset. Processi meno significativi che vengono applicati poco prima dello stack CMP sono la normale correzione del moveout e la correzione della statica. A differenza dei dati sismici marini, i dati sismici terrestri devono essere corretti per le differenze di elevazione tra la posizione del tiro e quella del ricevitore. Questa correzione è sotto forma di uno spostamento temporale verticale verso un dato piatto ed è conosciuta come una correzione statica, ma avrà bisogno di un’ulteriore correzione più tardi nella sequenza di elaborazione perché la velocità della superficie vicina non è accuratamente conosciuta. Questa ulteriore correzione è nota come correzione statica residua.

La migrazione sismica è il processo attraverso il quale gli eventi sismici sono geometricamente ricollocati nello spazio o nel tempo nella posizione in cui l’evento si è verificato nel sottosuolo piuttosto che nella posizione in cui è stato registrato in superficie, creando così un’immagine più accurata del sottosuolo.

Interpretazione sismica Modifica

L’obiettivo dell’interpretazione sismica è di ottenere una storia geologica coerente dalla mappa delle riflessioni sismiche elaborate. Al suo livello più semplice, l’interpretazione sismica consiste nel tracciare e correlare lungo i riflettori continui in tutto il dataset 2D o 3D e usare questi come base per l’interpretazione geologica. Lo scopo è quello di produrre mappe strutturali che riflettono la variazione spaziale in profondità di certi strati geologici. Utilizzando queste mappe è possibile identificare le trappole di idrocarburi e creare modelli del sottosuolo che permettono di calcolare il volume. Tuttavia, un set di dati sismici raramente fornisce un’immagine abbastanza chiara per fare questo. Ciò è dovuto principalmente alla risoluzione sismica verticale e orizzontale, ma spesso anche il rumore e le difficoltà di elaborazione portano a un’immagine di qualità inferiore. A causa di questo, c’è sempre un grado di incertezza in un’interpretazione sismica e un particolare set di dati potrebbe avere più di una soluzione che si adatta ai dati. In tal caso, saranno necessari più dati per vincolare la soluzione, per esempio sotto forma di ulteriori acquisizioni sismiche, di dati di registrazione dei pozzi o di dati di rilevamento gravitazionale e magnetico. Analogamente alla mentalità di un elaboratore sismico, un interprete sismico è generalmente incoraggiato a essere ottimista per incoraggiare ulteriori lavori piuttosto che l’abbandono dell’area di indagine. L’interpretazione sismica è completata sia dai geologi che dai geofisici, con la maggior parte degli interpreti sismici che hanno una comprensione di entrambi i campi.

Nella ricerca di idrocarburi, le caratteristiche che l’interprete cerca di delineare in particolare sono le parti che compongono un serbatoio di petrolio – la roccia sorgente, la roccia serbatoio, il sigillo e la trappola.

Analisi degli attributi sismiciModifica

L’analisi degli attributi sismici comporta l’estrazione o la derivazione di una quantità dai dati sismici che può essere analizzata per migliorare le informazioni che potrebbero essere più sottili in un’immagine sismica tradizionale, portando a una migliore interpretazione geologica o geofisica dei dati. Esempi di attributi che possono essere analizzati includono l’ampiezza media, che può portare alla delineazione di punti luminosi e punti deboli, coerenza e ampiezza rispetto all’offset. Gli attributi che possono mostrare la presenza di idrocarburi sono chiamati indicatori diretti di idrocarburi.

Studi crostaliModifica

L’uso della sismologia a riflessione negli studi della tettonica e della crosta terrestre è stato pionieristico negli anni 70 da gruppi come il Consortium for Continental Reflection Profiling (COCORP), che ha ispirato l’esplorazione sismica profonda in altri paesi come BIRPS in Gran Bretagna e ECORS in Francia. Il British Institutions Reflection Profiling Syndicate (BIRPS) fu avviato come risultato dell’esplorazione di idrocarburi nel Mare del Nord. Divenne chiaro che c’era una mancanza di comprensione dei processi tettonici che avevano formato le strutture geologiche e i bacini sedimentari che venivano esplorati. Lo sforzo produsse alcuni risultati significativi e dimostrò che è possibile profilare caratteristiche come le faglie di spinta che penetrano attraverso la crosta fino al mantello superiore con indagini sismiche marine.