Die Reflexionsseismologie wird in vielen Bereichen eingesetzt, und ihre Anwendungen können in drei Gruppen eingeteilt werden, die jeweils durch ihre Untersuchungstiefe definiert werden:

• Oberflächennahe Anwendungen – eine Anwendung, die darauf abzielt, die Geologie in einer Tiefe von bis zu etwa 1 km zu verstehen; sie wird typischerweise für Ingenieur- und Umweltuntersuchungen sowie für die Kohle- und Mineralexploration eingesetzt. Eine in jüngerer Zeit entwickelte Anwendung der seismischen Reflexion ist die Untersuchung der geothermischen Energie, wobei die Untersuchungstiefe in diesem Fall bis zu 2 km tief sein kann.
• Kohlenwasserstoffexploration – wird von der Kohlenwasserstoffindustrie verwendet, um eine hochauflösende Karte der akustischen Impedanzkontraste in Tiefen von bis zu 10 km im Untergrund zu erstellen. Dies kann mit der seismischen Attributanalyse und anderen geophysikalischen Explorationsinstrumenten kombiniert werden und Geologen dabei helfen, ein geologisches Modell des betreffenden Gebiets zu erstellen.
• Mineralienexploration – Der traditionelle Ansatz für die oberflächennahe (<300 m) Mineralienexploration bestand in der geologischen Kartierung, der geochemischen Analyse und dem Einsatz von luft- und bodengestützten potenziellen Feldmethoden, insbesondere für die Exploration auf der grünen Wiese. In den letzten Jahrzehnten hat sich die Reflexionsseismik zu einer brauchbaren Methode für die Exploration im Festgestein entwickelt.
• Krustestudien – Untersuchung der Struktur und des Ursprungs der Erdkruste bis zur Moho-Diskontinuität und darüber hinaus in Tiefen von bis zu 100 km.

Eine der Reflexionsseismik ähnliche Methode, die elektromagnetische statt elastischer Wellen verwendet und eine geringere Eindringtiefe hat, ist als Bodenradar oder GPR bekannt.

KohlenwasserstoffexplorationBearbeiten

Die Reflexionsseismik, die in der Kohlenwasserstoffindustrie allgemein als „seismische Reflexion“ oder abgekürzt als „Seismik“ bezeichnet wird, wird von Erdölgeologen und Geophysikern zur Kartierung und Interpretation potenzieller Erdölvorkommen eingesetzt. Die Größe und der Umfang seismischer Untersuchungen haben seit dem späten 20. Jahrhundert parallel zu den erheblichen Steigerungen der Computerleistung zugenommen. Dies führte dazu, dass die seismische Industrie von der mühsamen – und daher seltenen – Erfassung kleiner 3D-Vermessungen in den 1980er Jahren zur routinemäßigen Erfassung groß angelegter, hochauflösender 3D-Vermessungen überging. Die Ziele und Grundprinzipien sind dieselben geblieben, aber die Methoden haben sich im Laufe der Jahre leicht verändert.

Die primären Umgebungen für die seismische Kohlenwasserstoffexploration sind das Land, die Übergangszone und das Meer:

Land – Die Landumgebung umfasst fast alle Geländetypen, die es auf der Erde gibt, wobei jede ihre eigenen logistischen Probleme mit sich bringt. Beispiele für diese Umgebung sind Dschungel, Wüste, arktische Tundra, Wald, städtische Gebiete, Bergregionen und Savanne.

Übergangszone (TZ) – Die Übergangszone wird als das Gebiet betrachtet, in dem das Land auf das Meer trifft, und stellt eine besondere Herausforderung dar, da das Wasser zu flach für große seismische Schiffe, aber zu tief für den Einsatz traditioneller Methoden zur Erfassung an Land ist. Beispiele für diese Umgebung sind Flussdeltas, Sümpfe und Marschland, Korallenriffe, Gezeitengebiete am Strand und die Brandungszone. Seismische Teams, die in der Übergangszone arbeiten, werden oft an Land, in der Übergangszone und in der marinen Flachwasserumgebung an einem einzigen Projekt arbeiten, um eine vollständige Karte des Untergrunds zu erhalten.

Marine – Die marine Zone befindet sich entweder in Flachwassergebieten (Wassertiefen von weniger als 30 bis 40 Metern würden normalerweise als Flachwassergebiete für seismische 3D-Operationen im Meer gelten) oder in den Tiefwassergebieten, die normalerweise mit den Meeren und Ozeanen in Verbindung gebracht werden (wie der Golf von Mexiko).

Seismische DatenerfassungBearbeiten

Die seismische Datenerfassung ist die erste der drei verschiedenen Phasen der seismischen Exploration, die beiden anderen sind die seismische Datenverarbeitung und die seismische Interpretation.

Seismische Untersuchungen werden in der Regel von nationalen und internationalen Ölgesellschaften durchgeführt, die Dienstleistungsunternehmen wie CGG, Petroleum Geo-Services und WesternGeco mit der Erfassung der Daten beauftragen. Anschließend wird ein anderes Unternehmen mit der Verarbeitung der Daten beauftragt, wobei es sich häufig um dasselbe Unternehmen handelt, das die Untersuchung durchgeführt hat. Schließlich wird das fertige seismische Volumen an die Ölgesellschaft geliefert, damit es geologisch interpretiert werden kann.

Erwerb von LandvermessungenBearbeiten

Landseismische Untersuchungen sind in der Regel große Gebilde, Sie erfordern Hunderte von Tonnen an Ausrüstung und beschäftigen zwischen einigen Hundert und einigen Tausend Personen, die über viele Monate hinweg in großen Gebieten eingesetzt werden. Für eine kontrollierte seismische Quelle bei einer Landvermessung gibt es eine Reihe von Möglichkeiten, wobei Vibroseis und Dynamit besonders häufig eingesetzt werden. Vibroseis ist eine nicht-impulsive Quelle, die billig und effizient ist, aber einen ebenen Boden erfordert, was ihren Einsatz in unerschlossenen Gebieten erschwert. Bei dieser Methode wird mit einem oder mehreren schweren Geländefahrzeugen eine Stahlplatte auf den Boden abgesenkt, die dann mit einer bestimmten Frequenzverteilung und Amplitude in Schwingungen versetzt wird. Sie erzeugt eine niedrige Energiedichte, so dass sie in Städten und anderen bebauten Gebieten eingesetzt werden kann, in denen Dynamit erhebliche Schäden verursachen würde, auch wenn das große Gewicht eines Vibroseis-LKWs selbst Umweltschäden verursachen kann. Dynamit ist eine Impulsquelle, die aufgrund ihrer nahezu perfekten Impulsfunktion als ideale geophysikalische Quelle gilt, aber offensichtliche Umweltnachteile aufweist. Lange Zeit war Dynamit die einzige seismische Quelle, die zur Verfügung stand, bis um 1954 der Gewichtsabwurf eingeführt wurde, der es den Geophysikern ermöglichte, einen Kompromiss zwischen Bildqualität und Umweltbelastung zu finden. Im Vergleich zu Vibroseis ist Dynamit auch ineffizient, da jeder Quellpunkt gebohrt und das Dynamit im Loch platziert werden muss.

Eine seismische Landuntersuchung erfordert erhebliche logistische Unterstützung. Neben dem täglichen seismischen Betrieb selbst müssen auch das Hauptlager (für Verpflegung, Abfallentsorgung und Wäscherei usw.), kleinere Lager (z. B. wenn die Entfernung zu groß ist, um mit Rüttlern zum Hauptlager zurückzufahren), die Wartung von Fahrzeugen und Ausrüstung, medizinisches Personal und Sicherheitskräfte unterstützt werden.

Anders als bei seismischen Untersuchungen im Meer sind die Geometrien an Land nicht auf enge Erfassungspfade beschränkt, was bedeutet, dass in der Regel ein breites Spektrum von Offsets und Azimuten erfasst wird, und die größte Herausforderung besteht darin, die Erfassungsrate zu erhöhen. Die Produktionsrate hängt natürlich davon ab, wie schnell die Quelle (in diesem Fall Vibroseis) abgefeuert werden kann und wie schnell sie sich dann zur nächsten Quelle bewegt. Es wurden Versuche unternommen, mehrere seismische Quellen gleichzeitig zu nutzen, um die Vermessungseffizienz zu erhöhen, und ein erfolgreiches Beispiel für diese Technik ist das Independent Simultaneous Sweeping (ISS).

Meeresseismische Vermessung (Streamer)Bearbeiten

Traditionelle seismische Untersuchungen im Meer werden mit speziellSchiffen durchgeführt, die ein oder mehrere Kabel mit einer Reihe von Hydrophonen in konstanten Abständen schleppen (siehe Abbildung). Die Kabel werden als Streamer bezeichnet, wobei bei 2D-Untersuchungen nur ein Streamer und bei 3D-Untersuchungen bis zu 12 oder mehr eingesetzt werden (wobei 6 oder 8 Streamer üblicher sind). Die Streamer werden knapp unter der Wasseroberfläche und in einem bestimmten Abstand zum Schiff verlegt. Die seismische Quelle, in der Regel ein Airgun oder ein Array von Airguns, aber auch andere Quellen sind möglich, wird ebenfalls unter der Wasseroberfläche ausgebracht und befindet sich zwischen dem Schiff und dem ersten Empfänger. Häufig werden zwei identische Quellen verwendet, um eine schnellere Aufnahmerate zu erreichen. Bei meeresseismischen Untersuchungen wird eine beträchtliche Datenmenge erzeugt, jeder Streamer kann bis zu 6 oder sogar 8 km lang sein und Hunderte von Kanälen enthalten, und die seismische Quelle wird in der Regel alle 15 oder 20 Sekunden abgefeuert.

Ein seismisches Schiff mit zwei Quellen, das einen einzigen Streamer schleppt, wird als Narrow-Azimuth Towed Streamer (NAZ oder NATS) bezeichnet. Anfang der 2000er Jahre erkannte man, dass diese Art der Erfassung für die erste Exploration nützlich, aber für die Erschließung und Förderung, bei der die Bohrlöcher genau positioniert werden müssen, unzureichend war. Dies führte zur Entwicklung des Multi-Azimuth Towed Streamer (MAZ), mit dem versucht wurde, die Beschränkungen des linearen Erfassungsmusters einer NATS-Vermessung zu überwinden, indem eine Kombination von NATS-Vermessungen in verschiedenen Azimutrichtungen erfasst wurde (siehe Diagramm). Dies führte zu einer besseren Ausleuchtung des Untergrunds und einem besseren Signal-Rausch-Verhältnis.

Die seismischen Eigenschaften von Salz stellen ein zusätzliches Problem für seismische Untersuchungen im Meer dar, da es seismische Wellen abschwächt und seine Struktur Überhänge enthält, die schwer abzubilden sind. Dies führte zu einer weiteren Variante der NATS-Vermessung, dem Wide-Azimuth Towed Streamer (WAZ oder WATS), der erstmals 2004 auf dem Mad Dog-Feld getestet wurde. Bei dieser Art der Vermessung schleppte ein Schiff allein einen Satz von 8 Streamern und zwei separate Schiffe schleppten seismische Quellen, die sich am Anfang und am Ende der letzten Empfängerlinie befanden (siehe Diagramm). Diese Konfiguration wurde viermal „gekachelt“, wobei sich das Empfängerschiff jedes Mal weiter von den Quellenschiffen entfernte und schließlich der Effekt einer Untersuchung mit der vierfachen Anzahl von Streamern entstand. Das Endergebnis war ein seismischer Datensatz mit einem größeren Bereich breiterer Azimute, der einen Durchbruch in der seismischen Bildgebung darstellte.

Meeresbodenseismik (OBS)

Die Meeresbodenseismik ist nicht nur auf seismische Schiffe beschränkt; es ist auch möglich, Kabel mit Geophonen und Hydrophonen auf dem Meeresboden zu verlegen, ähnlich wie bei seismischen Untersuchungen an Land, und ein separates Quellenschiff zu verwenden. Diese Methode wurde ursprünglich aus betrieblicher Notwendigkeit heraus entwickelt, um seismische Untersuchungen in Gebieten mit Hindernissen, wie z. B. Förderplattformen, durchführen zu können, ohne die Bildqualität zu beeinträchtigen. Ozeanbodenkabel (OBC) werden auch in anderen Bereichen eingesetzt, in denen ein seismisches Schiff nicht verwendet werden kann, z. B. in flachen Meeresgebieten (Wassertiefe <300m) und in der Übergangszone, und können von ferngesteuerten Unterwasserfahrzeugen (ROVs) in tiefen Gewässern eingesetzt werden, wenn die Wiederholbarkeit wichtig ist (siehe 4D, unten). Bei herkömmlichen OBC-Vermessungen werden Zweikomponenten-Empfänger verwendet, die einen Drucksensor (Hydrophon) und einen Sensor für die vertikale Partikelgeschwindigkeit (vertikales Geophon) kombinieren, aber neuere Entwicklungen haben die Methode auf die Verwendung von Vierkomponentensensoren erweitert, d. h. ein Hydrophon und drei orthogonale Geophone. Vier-Komponenten-Sensoren haben den Vorteil, dass sie auch Scherwellen aufzeichnen können, die sich nicht durch das Wasser ausbreiten, aber dennoch wertvolle Informationen enthalten können.

Neben den operationellen Vorteilen hat die OBC auch geophysikalische Vorteile gegenüber einer herkömmlichen NATS-Vermessung, die sich aus der größeren Faltung und dem breiteren Azimutbereich ergeben, der mit der Vermessungsgeometrie verbunden ist. Ähnlich wie bei einer Landvermessung haben die größeren Azimute und die größere Faltung jedoch ihren Preis, und die Möglichkeiten für groß angelegte OBC-Vermessungen sind stark eingeschränkt.

Im Jahr 2005 wurde im Rahmen einer Partnerschaft zwischen BP und Fairfield Geotechnologies über dem Atlantis-Ölfeld erstmals der Einsatz von Ozeanbodenknoten (OBN) erprobt, einer Erweiterung der OBC-Methode, bei der batteriebetriebene kabellose Empfänger in tiefem Wasser platziert werden. Diese Knoten können flexibler platziert werden als die Kabel bei der OBC-Methode und sind aufgrund ihrer geringeren Größe und ihres geringeren Gewichts einfacher zu lagern und einzusetzen.

Zeitrafferaufnahmen (4D)Bearbeiten

Zeitraffer- oder 4D-Vermessungen sind seismische 3D-Vermessungen, die nach einem bestimmten Zeitraum wiederholt werden. Die 4D bezieht sich auf die vierte Dimension, die in diesem Fall die Zeit ist. Zeitrafferuntersuchungen werden durchgeführt, um Veränderungen in der Lagerstätte während der Förderung zu beobachten und Bereiche zu ermitteln, in denen es Strömungshindernisse gibt, die in der konventionellen Seismik möglicherweise nicht erkennbar sind. Zeitrafferuntersuchungen bestehen aus einer Basisuntersuchung und einer Überwachungs- oder Wiederholungsuntersuchung, die durchgeführt wird, nachdem das Feld in Produktion war. Bei den meisten dieser Untersuchungen handelt es sich um wiederholte NATS-Untersuchungen, da sie kostengünstiger sind und die meisten Felder in der Vergangenheit bereits eine NATS-Basisuntersuchung hatten. Einige dieser Erhebungen werden mit Hilfe von Meeresbodenkabeln durchgeführt, da die Kabel nach ihrer Entfernung wieder genau an ihrem alten Standort platziert werden können. Eine bessere Wiederholung der genauen Position von Quelle und Empfänger führt zu einer besseren Wiederholbarkeit und einem besseren Signal-Rausch-Verhältnis. Eine Reihe von 4D-Untersuchungen wurden auch in Gebieten durchgeführt, in denen Meeresbodenkabel gekauft und dauerhaft verlegt wurden. Diese Methode wird auch als Life of Field Seismic (LoFS) oder Permanent Reservoir Monitoring (PRM) bezeichnet.

OBN hat sich als eine weitere sehr gute Möglichkeit erwiesen, eine seismische Erfassung genau zu wiederholen. Die weltweit erste 4D-Vermessung mit Knoten wurde 2009 über dem Atlantis-Ölfeld durchgeführt, wobei die Knoten von einem ROV in einer Wassertiefe von 1300-2200 m bis auf wenige Meter genau an der Stelle platziert wurden, an der sie 2005 platziert worden waren.

Seismische DatenverarbeitungEdit

Es gibt drei Hauptprozesse bei der seismischen Datenverarbeitung: Dekonvolution, Common-Midpoint (CMP) Stacking und Migration.

Die Dekonvolution ist ein Prozess, der versucht, die Reflektivitätsreihen der Erde zu extrahieren, unter der Annahme, dass eine seismische Spur nur die Reflektivitätsreihen der Erde ist, die mit verzerrenden Filtern gefaltet werden. Dieser Prozess verbessert die zeitliche Auflösung, indem er das seismische Wavelet zusammenfaltet, ist aber nicht eindeutig, es sei denn, es liegen weitere Informationen vor, wie z. B. Bohrlochprotokolle, oder es werden weitere Annahmen getroffen. Entfaltungsoperationen können kaskadiert werden, wobei jede einzelne Entfaltung darauf abzielt, eine bestimmte Art von Verzerrung zu beseitigen.

CMP-Stacking ist ein robustes Verfahren, das sich die Tatsache zunutze macht, dass eine bestimmte Stelle im Untergrund mehrfach und mit unterschiedlichen Offsets abgetastet wurde. Auf diese Weise kann ein Geophysiker eine Gruppe von Spuren mit einer Reihe von Offsets konstruieren, die alle denselben Ort im Untergrund abtasten, was als Common Midpoint Gather bezeichnet wird. Die durchschnittliche Amplitude wird dann entlang einer Zeitabtastung berechnet, wodurch das Zufallsrauschen erheblich verringert wird, aber auch alle wertvollen Informationen über die Beziehung zwischen seismischer Amplitude und Versatz verloren gehen. Weniger bedeutsame Prozesse, die kurz vor dem CMP-Stack angewandt werden, sind die normale Moveout-Korrektur und die Korrektur der Statik. Im Gegensatz zu seismischen Daten aus dem Meer müssen seismische Daten von Land aus um die Höhenunterschiede zwischen dem Schuss- und dem Empfängerstandort korrigiert werden. Diese Korrektur erfolgt in Form einer vertikalen Zeitverschiebung zu einem flachen Bezugspunkt und wird als Statikkorrektur bezeichnet, muss aber später in der Verarbeitungssequenz weiter korrigiert werden, da die Geschwindigkeit der oberflächennahen Schichten nicht genau bekannt ist. Diese weitere Korrektur wird als statische Restkorrektur bezeichnet.

Seismische Migration ist der Prozess, bei dem seismische Ereignisse entweder räumlich oder zeitlich an den Ort verlagert werden, an dem sie im Untergrund aufgetreten sind, und nicht an den Ort, an dem sie an der Oberfläche aufgezeichnet wurden, wodurch ein genaueres Bild des Untergrunds entsteht.

Seismische InterpretationBearbeiten

Das Ziel der seismischen Interpretation ist es, eine kohärente geologische Geschichte aus der Karte der verarbeiteten seismischen Reflexionen zu erhalten. Auf der einfachsten Ebene beinhaltet die seismische Interpretation das Verfolgen und Korrelieren entlang kontinuierlicher Reflektoren im gesamten 2D- oder 3D-Datensatz und die Verwendung dieser Reflektoren als Grundlage für die geologische Interpretation. Ziel ist es, strukturelle Karten zu erstellen, die die räumliche Variation der Tiefe bestimmter geologischer Schichten widerspiegeln. Anhand dieser Karten können Kohlenwasserstofffallen identifiziert und Modelle des Untergrunds erstellt werden, die Volumenberechnungen ermöglichen. Ein seismischer Datensatz liefert jedoch selten ein ausreichend klares Bild, um dies zu tun. Das liegt vor allem an der vertikalen und horizontalen seismischen Auflösung, aber oft führen auch Rauschen und Verarbeitungsschwierigkeiten zu einem Bild von geringerer Qualität. Aus diesem Grund ist eine seismische Interpretation immer mit einem gewissen Grad an Unsicherheit behaftet, und ein bestimmter Datensatz kann mehr als eine Lösung enthalten, die zu den Daten passt. In einem solchen Fall werden weitere Daten benötigt, um die Lösung einzuschränken, z. B. in Form von weiteren seismischen Aufnahmen, Bohrlochmessungen oder Gravitations- und Magnetfeldmessungen. Ähnlich wie die Mentalität eines seismischen Prozessors wird auch ein seismischer Interpret im Allgemeinen dazu ermutigt, optimistisch zu sein, um weitere Arbeiten zu fördern, anstatt das Untersuchungsgebiet aufzugeben. Die seismische Interpretation wird sowohl von Geologen als auch von Geophysikern durchgeführt, wobei die meisten seismischen Interpreten über Kenntnisse in beiden Bereichen verfügen.

In der Kohlenwasserstoffexploration sind die Merkmale, die der Interpreter insbesondere zu beschreiben versucht, die Teile, aus denen eine Erdöllagerstätte besteht – das Ausgangsgestein, das Lagerstättengestein, die Abdichtung und die Falle.

Seismische AttributanalyseBearbeiten

Bei der seismischen Attributanalyse wird aus seismischen Daten eine Größe extrahiert oder abgeleitet, die analysiert werden kann, um Informationen zu verbessern, die in einem herkömmlichen seismischen Bild möglicherweise subtiler sind, was zu einer besseren geologischen oder geophysikalischen Interpretation der Daten führt. Beispiele für Attribute, die analysiert werden können, sind die mittlere Amplitude, die zur Abgrenzung von Bright Spots und Dim Spots führen kann, die Kohärenz und die Amplitude im Vergleich zum Offset. Attribute, die das Vorhandensein von Kohlenwasserstoffen anzeigen können, werden als direkte Kohlenwasserstoffindikatoren bezeichnet.

KrustenstudienBearbeiten

Die Verwendung der Reflexionsseismologie bei Studien zur Tektonik und zur Erdkruste wurde in den 1970er Jahren von Gruppen wie dem Consortium for Continental Reflection Profiling (COCORP) eingeführt, die die tiefenseismische Erkundung in anderen Ländern wie BIRPS in Großbritannien und ECORS in Frankreich inspirierten. Das British Institutions Reflection Profiling Syndicate (BIRPS) wurde als Folge der Kohlenwasserstoffexploration in der Nordsee gegründet. Es wurde deutlich, dass es an Verständnis für die tektonischen Prozesse mangelte, die die geologischen Strukturen und Sedimentbecken, die erforscht wurden, gebildet hatten. Die Bemühungen führten zu einigen bedeutenden Ergebnissen und zeigten, dass es möglich ist, mit meeresseismischen Untersuchungen Profile von Merkmalen wie Überschiebungsfehlern zu erstellen, die durch die Kruste bis zum oberen Erdmantel reichen.