Nghiên cứu kỹ thuật nghịch đảo vận tốc (tomography) theo thời gian truyền

36 DẦU KHÍ SỐ 1/2022 THĂM DÒ KHAI THÁC DẦU KHÍ TẠP CHÍ DẦU KHÍ Số 1 2022, trang 36 48 ISSN 2615 9902 1 Giới thiệu Mô hình vận tốc là kết quả quan trọng được trích xuất từ tài liệu địa chấn phản xạ, có[.]

THĂM DỊ - KHAI THÁC DẦU KHÍ TẠP CHÍ DẦU KHÍ Số - 2022, trang 36 - 48 ISSN 2615-9902 NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT NGHỊCH ĐẢO VẬN TỐC (TOMOGRAPHY) THEO THỜI GIAN TRUYỀN Phạm Thế Hoàng Hà, Đoàn Huy Hiên, Tạ Quang Minh, Mai Thị Lụa, Nguyễn Hoàng Anh Viện Dầu khí Việt Nam Email: hapth@vpi.pvn.vn https://doi.org/10.47800/PVJ.2021.10-01 Tóm tắt Mơ hình vận tốc thơng tin thiết yếu xử lý tín hiệu địa chấn, đóng vai trị quan trọng trình dịch chuyển địa chấn chuyển đổi miền thời gian miền độ sâu Trong số kỹ thuật sử dụng để xây dựng mơ hình vận tốc, nghịch đảo vận tốc (tomography) kỹ thuật phổ biến hiệu Tomography phiên nâng cấp phân tích vận tốc thủ cơng, xây dựng dựa phương pháp dị tia (ray tracing) phương pháp tối ưu hóa gradient liên hợp (conjugate gradient) Mơ hình vận tốc xây dựng kỹ thuật tomography (mơ hình vận tốc tomography) sử dụng mơ hình ban đầu chất lượng cao cho module dựng ảnh địa chấn phức tạp dịch chuyển thời gian ngược (reverse-time migration) nghịch đảo tồn dạng sóng (full waveform inversion) Nhóm tác giả phát triển module tomography theo thời gian truyền (travel-time reflection tomography - SeisT) để nghiên cứu độ xác kỹ thuật nâng cao lực công nghệ xử lý địa chấn Hiệu độ xác module trình xử lý vận hành kiểm tra đánh giá liệu mơ hình liệu thực địa Từ khóa: Xử lý tín hiệu địa chấn, phản xạ địa chấn, dị tia, mơ hình hóa vận tốc, địa chấn tomography, tomography Giới thiệu Mơ hình vận tốc kết quan trọng trích xuất từ tài liệu địa chấn phản xạ, sử dụng cho mục đích khác như: dựng ảnh miền độ sâu, chuyển đổi miền độ sâu miền thời gian hay xây dựng mơ hình địa - Độ phân giải mơ hình vận tốc phụ thuộc nhiều vào độ phức tạp phương pháp ước tính độ phân giải mơ hình vận tốc ban đầu liệu địa chấn Ví dụ, phân tích vận tốc thủ cơng (velocity analysis) phương pháp đơn giản nhanh để xây dựng mơ hình vận tốc Tuy nhiên, độ phân giải phương pháp không cao theo trục khơng gian trục thời gian khoảng cách CDP (common depth point) liên tiếp phân tích vận tốc lớn nhiều so với khoảng cách thực tế CDP cạnh lưới tài liệu Tương tự, phổ phân tích vận tốc CDP, khoảng thời gian điểm bắt vận tốc cao nhiều so với tỷ lệ lấy mẫu miền thời gian Ở chiều ngược lại, phương pháp nghịch đảo tồn dạng sóng cho phép tạo mơ hình vận tốc có độ phân giải cao Ngày nhận bài: 7/12/2021 Ngày phản biện đánh giá sửa chữa: - 20/12/2021 Ngày báo duyệt đăng: 28/12/2021 36 DẦU KHÍ - SỐ 1/2022 xác Tuy nhiên, phương pháp lại yêu cầu tài nguyên chi phí tính tốn cao nên khơng sử dụng rộng rãi xử lý địa chấn phản xạ Để cân độ xác chi phí tính tốn, tomography theo thời gian truyền (SeisT) xem phương pháp phù hợp để xây dựng mơ hình vận tốc cho mục đích dịch chuyển hay sử dụng làm mơ hình ban đầu cho tốn nghịch đảo tồn dạng sóng Tomography q trình nghịch đảo, cung cấp cơng cụ để ước tính vận tốc từ liệu phản xạ địa chấn đa kênh Tomography thực miền trước sau dịch chuyển Trong miền này, chia thông tin liệu thành dạng: động học (thời gian truyền) động lực học (biên độ, pha) [1] Do đó, có cách giải tốn tomography Bảng tóm tắt phương pháp sử dụng để ước tính vận tốc Nghiên cứu tập trung vào phương pháp tomography theo thời gian truyền dựa tia, áp dụng để xây dựng mơ hình vận tốc nhân tạo thực địa Quy trình thực thể Hình Nhóm nghiên cứu lựa chọn phương pháp để ước tính vận tốc nguyên nhân sau: PETROVIETNAM Bảng Các loại miền phương pháp tomography để ước tính vận tốc Miền trước dịch chuyển Tomography theo thời gian truyền Tomography truyền qua giếng Tomography sóng khúc xạ Nghịch đảo tồn dạng sóng (cịn gọi tomography dạng sóng, tomography phương trình sóng hay tomography tán xạ) Dựa tia (động học) Dựa dạng sóng (động lực học) Mơ hình ban đầu • Chuyển đổi từ miền thời gian sang độ sâu • Độ xác thấp Miền sau dịch chuyển Tomography trước cộng miền thời gian Tomography trước cộng miền độ sâu Phân tích vận tốc dịch chuyển theo phương trình sóng (WEM-VA) Tomography đường sóng Mặt phản xạ Lựa chọn miền thời gian (sau cộng) Tính tốn thời gian truyền Sử dụng vận tốc phân tích thủ cơng để chuyển sang miền độ sâu Dị tia Bao gồm tối ưu hóa góc bắn Quỹ đạo tia Bao gồm tính tốn lại độ sâu mặt phản xạ Mơ hình nghịch đảo Nghịch đảo vận tốc KHÔNG Thời gian truyền Thời gian truyền thực tế So sánh tối ưu hóa (sai số < epsilon) CĨ Mơ hình nghịch đảo tối ưu Nghịch đảo vận tốc Hình Quy trình thực nghịch tomography theo thời gian truyền dựa tia Trong miền sau dịch chuyển, liệu dịch chuyển tài liệu vận tốc chưa tối ưu hóa, đó, miền trước dịch chuyển có nhiều thơng tin vật lý miền sau dịch chuyển Mặc dù tomography dựa dạng sóng tạo mơ hình vận tốc chi tiết xác, phương pháp yêu cầu tài ngun chi phí tính tốn lớn Trong đó, phương pháp tomography dựa tia tạo mơ hình vận tốc có độ phân giải thấp có chất lượng đủ tốt thực cẩn thận [2] Cơ sở lý thuyết Giống phương pháp nghịch đảo địa vật lý khác, tomography theo thời gian truyền dựa tia gồm bước bản: - Xác định đường phản xạ ước tính thời gian truyền ứng với cặp thu nổ nằm vị trí khác dựa nghiệm phương trình eikonal - Tối ưu mơ hình vận tốc cách cực tiểu hóa sai số thời gian truyền tính tốn thời gian truyền thực tế cho cặp thu nổ, với đường phản xạ xác định Ở bước này, phương pháp gradient liên hợp sử dụng 2.1 Phương trình dị tia nghiệm số Phương pháp ray-tracing thực thuật tốn Runge-Kutta miền độ sâu, đó, tham số đầu vào phương pháp này, bao gồm mô hình vận tốc đường phản xạ, phải chuyển đổi từ miền thời gian sang miền độ sâu Phương pháp ray-tracing sử dụng để tính tốn đường tia sóng truyền mơi trường có vận tốc, đặc tính hấp thụ phản xạ bề mặt thay đổi Bởi tính chất kể mơi trường, đường tia bị uốn cong, thay đổi hướng phản xạ mặt phân cách Quỹ đạo tia tính tốn cách giải phương trình vi phân có nguồn gốc từ phương trình sóng [3]: − ( ⃗) ( ⃗, ) = ( ⃗) =0 ( ( ⃗)) DẦU KHÍ - SỐ 1/2022 (1) 37 THĂM DỊ - KHAI THÁC DẦU KHÍ = 0ở dạng: Giả sử phương trình (1) có−một( nghiệm ⃗) ( ( ⃗, ) = ( ⃗) Bước thời gian dt phải chọn phù hợp Nếu dt lớn, tần số cao bị bỏ qua, dẫn tới đường tia sóng tính tốn khơng xác, đặc biệt khu vực có địa chất phức tạp Nếu dt nhỏ, số bước dị tìm để tia từ điểm nổ tới điểm thu lớn, dẫn đến thời gian tính tốn lớn (2) ( ⃗)) ⃗)là hàm chưa biết mô tả biên độ thời ⃗) TT((⃗) Trong ((⃗) gian truyền thay đổi theo vị trí Thay phương trình (2) vào phương trình (1), giả định trường vận tốc thay đổi chậm không gian (gradient vận tốc nhỏ), tần số cao không phụ thuộc vào gradient vận tốc, có kết − ( ) =0 sau: + · − (3) =0 ( ) Mơ hình vận tốc rời rạc hóa thành lưới để thuận tiện cho việc tính toán Trong lưới vận tốc này, quỹ đạo tia tính tốn lại sau khoảng thời gian cố định dt (Hình 2) Cuối bước, vị trí tia cập nhật, tham số lưới vận tốc gần với vị trí sử dụng để xác định vị trí tia Ngồi ra, nghiên cứu này, nhóm tác giả sử dụng phép nội suy tuyến tính để đảm bảo đường tia sóng tính tốn tất điểm thuộc lưới vận tốc mà tia qua =0 (4) Phương trình (3) gọi phương trình truyền hình học + · =0 nghiệm mơ tả dòng lượng dọc theo đường truyền tia Phương trình (4) phương trình đạo hàm riêng, phi tuyến có tên phương trình eikonal Đối với trường hợp tần số cao trường vận tốc thay đổi chậm giả định, nghiệm phương trình eikonal thời gian truyền xác qua mơi trường phức tạp [3] Phương trình eikonal biến đổi thành hệ phương trình vi phân thường bậc (ordinary differential equations), giải phương pháp số chuẩn: = ( ) Trong q trình mơ thu nổ địa chấn, sóng điểm nổ (nguồn) gần bề mặt, lan truyền lớp đất đá, trải qua trình phản xạ khúc xạ, đến thu, nằm gần bề mặt Quá trình phức tạp mơ tả mơ hình vận tốc, đề cập trên, cách sử dụng phương pháp ray-tracing Runge-Kutta Hình mơ tả đơn giản q trình thu nổ tia sóng từ nguồn nổ, lan truyền xuống lịng đất, sau phản xạ đường phản xạ quay ngược lại thu (5) ( ) dp⃗ =− dt ( ⃗) = đó, ( ) vector slowness, thể hướng độ lớn vận tốc Trong tia điểm tham chiếu; dt bước thời gian mà đường tia ( ) dp⃗ = − toán tính dt ( ⃗) Trong nghiên cứu này, hệ phương trình vi phân giải phương pháp Runge-Kutta [4] Nguồn nổ Máy thu   d1 V1 độ dài tia ô trường vận tốc d2 V2 V4 V5 d3 V3 d6 V6 d5 V7a d8 V8a  V7b V8b Hình Dị tia trường vận tốc 38 DẦU KHÍ - SỐ 1/2022 d9 V9a V9b Một đặc điểm quan trọng tomography tia bị phản xạ đường phản xạ chọn trước quay lại thu Cách xác định vector slowness tia phản xạ đường phản xạ trình bày Hình 3, và2 vector slowness tia tới tia phản xạ Trong hệ tọa độ Ogh, điểm phản xạ, thành phần tiếp tuyến vector slowness không thay đổi, thành phần pháp tuyến thay đổi dấu Do đó, vector slowness tia phản xạ tính tốn thơng qua vector slowness tia tới sau: pg₂ = pg₁ (6) ph₂ = -ph₁ Trong pg1,2 ph1,2 thành phần vector slowness tia tới tia phản xạ hệ tọa độ Ogh PETROVIETNAM Ngoài ra, tia phản xạ thể Hình truyền theo nhiều cách khác chí bị bẻ cong trước gặp đường phản xạ Hình (turning ray) Điều có phản xạ tồn phần mặt phân cách nơng (góc tới lớn góc tới hạn) Mặc dù tia đạt góc tới hạn hữu ích cho việc phân tích tomography gần bề mặt (như xây dựng mơ hình vận tốc để khảo sát địa chấn đất liền), mục tiêu nghiên cứu Một vấn đề quan trọng việc raytracing cặp thu nổ cụ thể, phương pháp xác định góc bắn tia từ nguồn nổ để đến vị trí máy thu dự kiến Nếu bắn tia theo góc tùy ý, chắn khơng đến máy thu mục tiêu Để tìm góc bắn phù hợp, phương pháp đơn giản để tính góc bắn sử dụng phép tính hình học Hình Cho vị trí S R (nguồn nổ máy thu), góc dip β đường phản xạ (gần CDP), góc bắn α tính cơng thức: d (7) = − = − 2h Trong đó: chia đơi sử dụng để ước tính góc bắn cho tia đến gần máy thu Đối với máy thu nằm xa nguồn nổ, sử dụng phương pháp hồi quy bình phương tối thiểu (least squares regression) [4] để tính tốn góc bắn ban đầu từ góc bắn tối ưu máy thu gần nguồn nổ Khi đó, số lần lặp phương pháp độ dốc giảm đáng kể so với việc ước lượng góc ban đầu phương pháp hình học Bảng số lượng lần lặp để tính tốn góc bắn tối ưu sử dụng phương pháp ước lượng góc ban đầu khác Trong q trình thử nghiệm tính tốn, để cải thiện tốc độ hội tụ độ xác q trình tối ưu hóa, lọc làm mịn cần áp dụng cho mơ hình vận tốc tất đường phản xạ 2.2 Bài toán nghịch đảo Nếu mơ hình vận tốc sai lệch nhiều so với mơ hình thực, sai số thời gian truyền tia tính phương pháp dị tia với Slowness tia tới pg1 Slowness tia phản xạ ph2 p2 ph1 p1 pg2 O g d: Khoảng cách nguồn nổ máy thu (offset); h h: Độ sâu hình chiếu điểm lên đường phản xạ Trong thực tế, mơi trường có vận tốc biến đổi liên tục, phương pháp hình học dĩ nhiên khơng cho giá trị góc bắn xác, nhiên, sử dụng giá trị dự đốn ban đầu để thực tính tốn tối ưu hóa góc bắn Một số thuật tốn tối ưu thử nghiệm sử dụng nghiên cứu như: phương pháp chia đôi (bisection), phương pháp Gauss-Newton phương pháp đường dốc (steepest descent) [4] Nhóm nghiên cứu nhận thấy thuật toán độ dốc thường đưa ước tính góc tốt với số lần lặp chấp nhận Trong trường hợp phương pháp độ dốc không hoạt động xuất cực tiểu cục (local minimum), phương pháp Hình Tính tốn lại vector slowness điểm phản xạ horizon d M F R S β γ h L K H γ G β γ γ D α β E I S’ Hình Phương pháp hình học dùng để xác định góc bắn DẦU KHÍ - SỐ 1/2022 39 THĂM DỊ - KHAI THÁC DẦU KHÍ Bảng Số vịng lặp để ước tính góc bắn với sai số ± m quanh vị trí máy thu 125 137,5 150 162,5 175 187,5 200 212,5 225 237,5 Offset (m) Vị trí nguồn nổ (m) 1.000 2.000 3.000 3 2 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 giá trị thực lớn Vì vậy, cần cực tiểu hóa sai số cách sử dụng phương pháp tối ưu hóa Bằng cách này, mơ hình vận tốc ước lượng dần tiến mơ hình thực Xét mơ hình vận tốc mơ tả Hình Mơ hình chia thành ô vận tốc với giá trị vận tốc ô số Tia phát từ nguồn nổ A, phản xạ horizon B thu C Thời gian truyền TABC theo đường ABC xác định phương trình (7) là: d₁ d₂ + d₅ + d₈ 8a + d₉ 9a + d₆ + d₃ (8) Dựa đường tia khác mơi trường, thu hệ phương trình (với thời gian truyền T biết ẩn số phần tử vi trường vận tốc) Việc giải hệ phương trình (được gọi tomography) giúp xác định giá trị vận tốc ô dọc theo đường tia Có nhiều phép đo thời gian truyền cho cặp thu nổ đường phản xạ xác định Xét tia truyền mơi trường Hình 5, thời gian truyền tương ứng thể Hình Thời gian truyền tia biểu diễn phương trình: =Σ =Σ (9) =Σ =Σ Hay biểu diễn ma trận: T = DS T = DS Trong đó: ti: Thời gian truyền tia thứ i; 40 DẦU KHÍ - SỐ 1/2022 (10) 4.000 2 0 1 1 Phương pháp để ước tính giá trị ban đầu cho tối ưu hóa độ dốc Phương pháp hình học Hồi quy bình phương tối thiểu Máy thu Nguồn nổ    t4 V1 V2 V3 V4 V5 V6 V7a V8a V9a V7b V8b V9b Hình Mơ hình vận tốc đơn giản gồm ô (j = 1, 9) [1] dij: Quãng đường di chuyển tia thứ i ô thứ j; vj: Vận tốc ô thứ j; sj: Slowness thứ j, có N mơ hình (trong trường hợp này, N = 9) Trong phương trình (10), T vector thời gian truyền chiều sóng âm phát từ nguồn, truyền lòng đất, phản xạ mặt phân cách, sau quay trở lại máy thu D ma trận quãng đường di chuyển tia ô mô hình vận tốc (Hình 2) [1] Ma trận D xác định bước kỹ thuật dị tia S vector mơ hình vận tốc ước tính phương pháp số Thơng thường, phương pháp bình phương tối thiểu áp dụng để tính S phương trình (10) Tuy nhiên, phương pháp gradient liên hợp (conjugate gradient - CG) cho thấy độ hiệu cao khả tính tốn nhanh CG phương pháp lặp phổ biến để giải hệ phương trình tuyến tính lớn hệ phương , trình (9) CG có độ phức tạp theo thời gian O phương pháp độ dốc (steepest decent) có độ phức tạp theo thời gian O(mk); thuật tốn có độ phức tạp theo không gian PETROVIETNAM O(m) (k số điều kiện phổ ma trận D m số giá trị khác ma trận) [5] Sau số lần lặp CG, mơ hình vận tốc thu có giá trị gần với giá trị thực nhiều so với phương pháp khác Offset t1 t2 t3 Ứng dụng mơ hình nhân tạo Mơ hình vận tốc nhân tạo (Hình 7) sử dụng để xác minh tính hiệu phương pháp tomography theo thời gian truyền Mơ hình xây dựng miền độ sâu, chứa 10 mặt phản xạ với nếp gấp vùng vận tốc cao, chứa cấu trúc tương tự vệt đứt gãy trị trí sâu t4 Thời gian Hình Tập hợp CDP mô cho mặt phản xạ Mơ hình vận tốc nhân tạo 3.500 200 3.000 Độ sâu (m) 400 600 2.500 800 2.000 1.000 1.200 500 1.000 1.500 2.000 2.500 3.000 3.500 4.000 4.500 5.000 Khoảng cách ngang (m) 1.500 Hình Mơ hình vận tốc nhân tạo với mặt phản xạ chọn sẵn Kết dò tia (Ray tracing) 200 Tia bị bẻ cong Độ sâu (m) 400 600 800 3.500 3.000 2.500 Tia phản xạ 2.000 1.000 1.200 500 1.000 1.500 2.000 2.500 3.000 3.500 4.000 4.500 5.000 Khoảng cách ngang (m) Hình Dị tia dựa thuật tốn Runge-Kutta với mặt phản xạ 1.500 Q trình tối ưu hóa áp dụng mơ hình vận tốc thực để ước tính góc bắn xác thời gian truyền tia cho cặp thu nổ, giá trị sử dụng làm tham số đầu vào q trình lặp (đóng vai trị liệu tham chiếu) Cấu hình thu nổ hệ chứa 207 nguồn nổ (khoảng cách nguồn nổ 25 m) 10 máy thu cho nguồn (khoảng cách máy thu 12,5 m); tất đặt mặt nước Thời gian truyền tất cặp thu nổ mơ hình thực dùng làm liệu tham chiếu q trình phân tích tomography Phương pháp gradient liên hợp sử dụng để giải hệ phương trình phi tuyến đề cập phần 2.2 Mơ hình vận tốc ban đầu mơ hình vận tốc làm mượt (smooth) mạnh từ mơ hình vận tốc gốc Kết q trình tomography mơ hình nhân tạo theo số lần lặp thể Hình Thuật tốn mơ hình làm mịn mạnh (Hình 9b), khơng có đặc điểm địa chấn rõ ràng Sau 30 bước lặp, thu mơ hình gần với mơ hình thực (Hình 9f ) Khu vực nông phần vận tốc cao xây dựng lại sau lần lặp CG Tăng số lần lặp CG, lớp sâu mơ hình vận tốc nghịch đảo xác Trong Hình 9d, cấu trúc tương tự vết đứt gãy hồi phục sau 10 lần lặp Độ xác thuật tốn ước tính độ lệch chuẩn (root-mean-square error - RMSE) RMSE DẦU KHÍ - SỐ 1/2022 41 THĂM DÒ - KHAI THÁC DẦU KHÍ Mơ hình vận tốc nhân tạo 200 200 3.000 600 2.500 800 2.000 1.000 1.200 5001.000 1.500 2.000 2.500 3.000 3.500 4.000 4.500 5.000 1.500 600 2.500 800 2.000 1.000 1.200 500 1.000 1.500 2.000 2.500 3.000 3.500 4.000 4.500 5.000 Khoảng cách ngang (m) (b) Mơ hình nghịch đảo sau lần lặp Mơ hình nghịch đảo sau 10 lần lặp 3.500 200 200 3.000 600 2.500 800 2.000 1.000 1.200 500 1.000 1.500 2.000 2.500 3.000 3.500 4.000 4.500 5.000 1.500 3.500 3.000 400 Độ sâu (m) 400 Độ sâu (m) 1.500 Khoảng cách ngang (m) (a) 600 2.500 800 2.000 1.000 1.200 500 1.000 1.500 2.000 2.5003.0003.500 4.000 4.500 5.000 Khoảng cách ngang (m) 1.500 Khoảng cách ngang (m) (c) (d) Mơ hình nghịch đảo sau 20 lần lặp Mơ hình nghịch đảo sau 30 lần lặp 3.500 200 2.500 800 2.000 1.000 1.200 500 1.000 1.500 2.000 2.500 3.000 3.500 4.000 4.500 5.000 1.500 Khoảng cách ngang (m) 3.000 400 Độ sâu (m) 600 3.500 200 3.000 400 Độ sâu (m) 3.500 3.000 400 Độ sâu (m) 400 Độ sâu (m) Mơ hình vận tốc ban đầu 3.500 600 2.500 800 2.000 1.000 1.200 500 1.000 1.500 2.000 2.500 3.000 3.500 4.000 4.500 5.000 1.500 Khoảng cách ngang (m) (e) (f) Hình Kết q trình tomography a) Mơ hình vận tốc gốc; b) Mơ hình ban đầu; c) Mơ hình vận tốc sau bước lặp tomography; d) Mơ hình vận tốc sau 10 bước lặp nghịch đảo cắt lớp; e) Mô hình vận tốc sau 20 bước tomography; f) Mơ hình vận tốc sau 30 bước lặp tomography Bảng Độ lệch chuẩn mơ hình vận tốc ước tính Model Mơ hình ban đầu Mơ hình sau lần lặp CG Mơ hình sau 10 lần lặp CG Mơ hình sau 20 lần lặp CG Mơ hình sau 30 lần lặp CG 42 DẦU KHÍ - SỐ 1/2022 RMSE (m/s) 370,6 219,6 176,4 156,1 152,9 Sai số tương đối trung bình mơ hình vận tốc (%) 18,15 10,75 8,65 7,65 7,5 PETROVIETNAM Nhập cấu hình (Geometry, Navigation) Nhập tài liệu SEG-D Lọc nhiễu lọc thời gian-tần số Horizon 0,5 Thời gian chiều (s) Lọc tần thấp Mặt cắt sau cộng Horizon Horizon Horizon Giếng Horizon Horizon 1,5 Lọc FK + Lọc Radon tuyến tính Horizon SRME (Lọc sóng lặp) 0,5 Lọc Radon parabol phân giản cao Lọc sau dịch chuyển (Fx Decon/Radon tuyến tính + parabol) 2,5 Horizon 0.5 Thời gian chiều (s) Phân tích vận tốc dư 1,5 Khoảng cách ngang (m) 3,5 104 Hình 11 Tuyến địa chấn với mặt phản xạ vị trí giếng chọn Phân tích vận tốc thủ cơng Dịch chuyển miền thời gian (PSTM) 1 Giếng 1.5 3.200 3.000 Horizon 2.800 Horizon 2.600 Horizon Horizon Horizon 2.400 2.200 2.000 1.800 Horizon Cắt gọt (Muting) 0,5 Cộng (Stacking) Hình 10 Các bước xử lý nhỏ, xác mơ hình vận tốc ước tính so với mơ hình vận tốc thực cao Các giá trị RMSE thể Bảng Ứng dụng liệu thực địa Thuật toán tomography ứng dụng cho liệu địa chấn 2D khơi Việt Nam Dữ liệu xử lý minh giải Viện Dầu khí Việt Nam (VPI) Các bước xử lý thể Hình 10 Điểm khác biệt lớn tài liệu thực địa (dữ liệu địa chấn, vận tốc RMS đường phản xạ chọn) so với mơ hình nhân tạo tài liệu thực địa nằm miền thời gian Do đó, ứng dụng phương pháp tomography theo thời gian truyền cho tài liệu thực địa, cần phải chuyển 1,5 2,5 Khoảng cách ngang (m) 1.600 3,5 10 Hình 12 Mơ hình vận tốc tomography chồng lên liệu địa chấn đổi tài liệu đầu vào từ miền thời gian sang miền độ sâu trình lặp, nghĩa mặt phản xạ nằm độ sâu thực, mà độ sâu tùy thuộc vào mơ hình vận tốc cập nhật Bằng cách cực tiểu hóa sai số thời gian truyền, nhóm nhiên cứu hy vọng độ sâu hội tụ đến giá trị thực tế Do đó, bên cạnh vịng lặp CG xây dựng mơ hình vận tốc để thực dò tia với mặt phản xạ, có thêm vịng lặp bên ngồi để cập nhật độ sâu mặt phản xạ sau lần mơ hình vận tốc cập nhật lại (Hình 1) Quá trình nghịch đảo diễn tương tự trường hợp mơ hình nhân tạo Hình 11 cho thấy liệu địa chấn sau cộng với đường phản xạ vị trí giếng chọn Từ q trình thử nghiệm tomography mơ hình tổng hợp, nhóm DẦU KHÍ - SỐ 1/2022 43 THĂM DỊ - KHAI THÁC DẦU KHÍ (a) (c) (b) (d) Hình 13 So sánh tập hợp CDP sau PSTM với (a, b) vận tốc phân tích thủ cơng (c, d) vận tốc tomography nghiên cứu nhận thấy chọn nhiều đường phản xạ kết thu gần với giá trị thực Tuy nhiên, sử dụng nhiều đường phản xạ đồng nghĩa với thời gian tính toán lớn hơn, đặc biệt liệu thực địa có số lượng cặp thu nổ thường lớn Trong ví dụ này, mặt phản xạ chọn, mặt qua khu vực có liệu đo đạc từ giếng Mơ hình vận tốc tính tốn tomography theo thời gian truyền biểu diễn chồng lên mặt 44 DẦU KHÍ - SỐ 1/2022 cắt địa chấn sau cộng, cách đó, thay đổi vận tốc dị thường liên quan đến tích tụ hydrocarbon nhận biết Hình 12 Trong tuyến địa chấn này, mơ hình vận tốc địa chấn nghịch đảo thành cơng thuật tốn nghịch đảo phát triển, vận tốc xung quanh vị trí giếng, nơi khí phát hiện, có xu hướng nhỏ so với khu vực xung quanh Khác với mơ hình nhân tạo, liệu thực địa, PETROVIETNAM khơng có mơ hình vận tốc xác tuyệt đối để so sánh kết tomography, nhóm nhiên cứu phải thử cách khác để kiểm tra tính xác thuật tốn Có phương pháp khác để kiểm soát chất lượng nghiên cứu Một sử dụng mơ hình vận tốc ước tính làm đầu vào cho module dịch chuyển miền thời gian (PSTM); đầu kỳ vọng chứa kiện địa chấn làm phẳng tập hợp CDP (CDP gathers) (Hình 13) Phương pháp cịn lại so sánh mơ hình vận tốc nghịch đảo với liệu giếng nằm gần khu vực nghiên cứu Sai số trung bình mơ hình vận tốc ước tính sử dụng phương pháp xác minh bổ sung Với sai số xác định chênh lệch thời gian truyền ước tính phương pháp dị tia thời gian truyền thực, sai số trung bình sau lần lặp CG tính tốn thể Bảng Vị trí mặt phản xạ miền độ sâu tính tốn mơ hình vận tốc ban đầu (phân tích thủ cơng) Điều có nghĩa mơ hình vận tốc cập nhật lại tomography, vị trí mặt phản xạ cần tính tốn lại Vì lý đó, nhóm nghiên cứu thực Bảng Sai số trung bình mơ hình vận tốc Mơ hình sau 10 lần lặp CG Mơ hình sau 20 lần lặp CG Mơ hình sau 30 lần lặp CG Mơ hình sau 50 lần lặp CG 3.000 3.000 1.000 1.000 00 500 500 500 500 1.000 1.000 1.000 1.000 1.500 1.500 2.000 2.000 VậntốctốcVSP VSP Vận (Giếng) (Giếng) Vậntốctốcnghịch nghịchđảo đảo Vận sau1 1lầnlầnlặplặpđộđộ sau sâumặt mặtphản phảnxạxạ sâu 1.500 1.500 2.000 2.000 Vậntốctốcnghịch nghịchđảo đảo Vận sau2 2lầnlầnlặplặpđộđộ sau sâumặt mặtphản phảnxạxạ sâu 2.500 2.500 Vậntốctốcnghịch nghịchđảo đảo Vận sau3 3lầnlầnlặplặpđộđộ sau sâumặt mặtphản phảnxạxạ sâu Sai số thời gian lan truyền trung bình (m/s) 3.664 3.147 3.093 3.033 Mơ hình Độ Độ sâu sâu (m) (m) Độ Độ sâu sâu (m) (m) 1.000 1.000 00 Vậntốc tốc(m/s) (m/s) Vận 2.000 2.000 Từ Bảng 4, thấy rằng, tăng số vịng lặp CG, sai số trung bình mơ hình vận tốc ước tính giảm ngày chậm Điều giải thích sai số trung bình gần khoảng thời gian lấy mẫu, q trình tối ưu hóa khó cải thiện kết 2.500 2.500 Vậntốc tốc(m/s) (m/s) Vận 2.000 2.000 3.000 3.000 VậntốctốcVSP VSP Vận (Giếng) (Giếng) Vậntốctốcnghịch nghịchđảo đảo Vận sau3 3lầnlầnlặplặpđộđộ sau sâumặt mặtphản phảnxạxạ sâu Vậntốctốcnghịch nghịchđảo đảo Vận dụngphần phần sửsửdụng mềmthương thươngmại mại mềm Mặtphản phảnxạxạ Mặt Mặtphản phảnxạxạ Mặt 3.000 3.000 3.000 3.000 (a) (b) Hình 14 So sánh vận tốc tomography với (a) vận tốc (VSP) từ liệu giếng (b) phần mềm thương mại DẦU KHÍ - SỐ 1/2022 45 THĂM DỊ - KHAI THÁC DẦU KHÍ Vận tốc (m/s) 1.000 2.000 3.000 Mặt cắt RTM sử dụng V3 4.000 Độ sâu (m) 500 500 1.000 1.500 2.000 2.500 1.000 1.500 2.000 Vận tốc nghịch đảo sử dụng phần mềm 3.000 Hình 15 So sánh vận tốc tomography sử dụng hiệu chỉnh giếng với liệu giếng lần lặp tính tốn lại độ sâu mặt phản xạ Sự cải thiện quy trình lặp lại thể Hình 14a Có thể thực kiểm tra độc lập kết tomography cách so sánh với vận tốc VSP giếng khoan gần khu vực nghiên cứu (Hình 14); vị trí giếng Hình 11 Có thể thấy, vận tốc tomography cao chút so với vận tốc VSP giếng, kết tin cậy Kết tomography phần mềm thương mại thể Hình 14b Mơ hình tính tốn phần mềm thương mại (dựa thuật toán grid-tomo) tốt tần số - tương lai cải thiện Tuy nhiên, thuật tốn nhóm nghiên cứu cho vận tốc ước tính gần với giá trị vận tốc VSP vùng tốc độ chậm - bất thường (1.500 - 2.500 m) Ngồi nhóm nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng phương pháp “hiệu chuẩn giếng” 46 DẦU KHÍ - SỐ 1/2022 1,5 2,5 Khoảng cách ngang (m) 10 (a) Vận tốc nghịch đảo khơng hiệu chỉnh giếng Vận tốc nghịch đảo có hiệu chỉnh giếng 2.500 0,5 Vận tốc VSP (Giếng) Mặt cắt RTM sử dụng vận tốc nghịch đảo 500 Độ sâu (m) Độ sâu (m) 3.000 1.000 1.500 2.000 2.500 3.000 0,5 1,5 Khoảng cách ngang (m) 2,5 10 (b) Hình 16 Ảnh dựng module RTM sử dụng (a) vận tốc phân tích thủ công V3 (b) vận tốc tomography (thường sử dụng cơng nghiệp) đến kết q trình tomography Cụ thể, mơ hình vận tốc sử dụng để chuyển đổi mặt phản xạ từ miền thời gian sang miền độ sâu hiệu chỉnh để đạt giá trị gần với vận tốc VSP giếng (tại giếng, mơ hình khớp với liệu giếng) Khi đó, kết vận tốc tomography có tương đồng tốt với thành phần tần số thấp (xu hướng) vận tốc VSP (Hình 15) Ứng dụng kết tomography Nhóm nghiên cứu sử dụng module dịch chuyển thời gian ngược (reverse time migration - RTM) để thực dịch chuyển miền độ sâu (với hy vọng) chứng minh cải thiện mơ hình vận tốc tomography so với mơ hình vận tốc phân tích thủ cơng Các kiện địa chấn mặt cắt RTM sử dụng vận tốc tomography (Hình 16b) chứa dị thường so với mặt cắt RTM sử dụng mơ hình vận tốc phân tích PETROVIETNAM thủ cơng (V3) (Hình 16a) Kết Hình 16b tương đồng với kết dịch chuyển Kirchhoff (Hình 11) Việc chọn mặt phản xạ có vai trò quan trọng tomography theo thời gian truyền dựa tia mặt phản xạ sử dụng giá trị tham chiếu cho trình nghịch đảo Các mặt phản xạ (sau chuyển sang miền độ sâu) sử dụng cho q trình dị tia để ước tính thời gian truyền cặp thu nổ mơ hình vận tốc cập nhật Sau đó, thời gian ước tính so sánh với thời gian tham chiếu để tối ưu hóa mơ hình vận tốc Do vậy, chất lượng tomography theo thời gian truyền dựa tia phụ thuộc nhiều vào chất lượng việc chọn mặt phản xạ (hiện thực thủ công) Để cải thiện chất lượng mặt phản xạ, sử dụng phần mềm thương mại Kingdom, Landmark Petrel Phần mềm PaleoScan lựa chọn tốt hơn, chọn đồng thời nhiều mặt phản xạ theo thứ tự thời gian [6] Việc sử dụng phần mềm tự động khơng cải thiện chất lượng mà cịn tăng số lượng mặt phản xạ thời gian ngắn Trong trường hợp không thấy rõ mặt phản xạ địa chấn, chẳng hạn móng cột muối/ bùn, tomography theo thời gian truyền gặp khó khăn Khi đó, cần phải xem xét cách tiếp cận khác, tomography điểm tập trung (common focus point tomography)” [7] tomography tán xạ [8] Trong q trình thực thuật tốn tomography, cần lưu ý rằng, hệ phương trình (9) giải (theo bình phương nhỏ nhất) số phương trình lớn số ẩn số Số phương trình số cặp thu nổ nhân với số mặt phản xạ; số ẩn số với số lưới mơ hình vận tốc Nếu hệ phương trình khơng thỏa mãn điều kiện (thường xảy trường hợp này) cần áp dụng thêm ràng buộc để giải hệ phương trình Ràng buộc phổ biến sử dụng lọc làm mịn để tương quan hóa điểm lân cận Các kỹ thuật khác ràng buộc “dip/ azimuth” “shaping regularization” [9] áp dụng Ngay có ràng buộc, điều kiện nghiệm khơng (non-uniqueness) xảy độ xác mơ hình vận tốc ban đầu yếu tố ảnh hưởng lớn đến chất lượng mô hình tối ưu hóa cuối Mơ hình ban đầu gần với mơ hình vận tốc thực tốc độ tính tốn nhanh (thời gian hội tụ hơn) Đối với liệu thực địa, nhóm nghiên cứu sử dụng mơ hình vận tốc phân tích thủ cơng làm mượt (V3) để làm mơ hình ban đầu Nhìn chung, cơng nghệ tomography theo thời gian truyền nhóm nghiên cứu VPI đạt kết quả: - Đối với liệu mơ hình, tomography khơi phục số đặc điểm địa chấn đặc trưng phân lớp đứt gãy; - Trong liệu thực địa, vận tốc nghịch đảo tạo kiện phẳng tập hợp CDP so với vận tốc phân tích thủ cơng sau dịch chuyển trước cộng; - Kết tomography sử dụng làm mơ hình vận tốc cho module RTM với cải thiện dị thường so với việc sử dụng mơ hình vận tốc phân tích thủ cơng Tuy nhiên, sai lệch nhỏ so với liệu giếng Điều hệ q trình làm mịn q trường vận tốc, khơng đủ số lượng mặt phản xạ và/hoặc thiếu mô tượng vật lý khác (dị hướng, hiệu ứng Q…), điều khắc phục phương pháp hiệu chuẩn giếng Kết luận Trong nghiên cứu này, công nghệ tomography theo thời gian truyền thực VPI thể thông qua kết ứng dụng mơ hình nhân tạo tài liệu thực địa Các vấn đề mà nhóm nghiên cứu gặp phải trình nghiên cứu, phát triển phương pháp tomography theo thời gian truyền dựa tia thảo luận Chất lượng kết tomography phụ thuộc vào nhiều yếu tố, đặc biệt độ xác mơ hình vận tốc ban đầu chất lượng việc lựa chọn mặt phản xạ Phương pháp tối ưu cách áp dụng kỹ thuật khác (làm mịn) và/hoặc mơ hình hóa tượng vật lý phức tạp (như mô hình hóa hiệu ứng Q và/hoặc hiệu ứng dị hướng) Tại thời điểm này, nhóm nghiên cứu phát triển phần mềm tomography chu trình tính tốn kèm theo Việc hồn thành phần cơng việc cho thấy số chi tiết quan trọng trình phát triển chu trình tomography, bao gồm: - Thuật tốn, module phần mềm quy trình làm việc cần thiết để làm chủ kỹ thuật cốt lõi (dị tia, tối ưu hóa, nghịch đảo) sử dụng tomography; - Việc thực phương pháp tomography cho mơ hình vận tốc đàn hồi tốt so với phương pháp phân tích vận tốc thủ cơng Mơ hình cần phát triển thêm gồm mơ hình vật lý phức tạp hơn, chẳng hạn mơ hình hóa Q, tomography dị hướng Các phiên nâng cao xây dựng mơ hình vận tốc tomography 3D DẦU KHÍ - SỐ 1/2022 47 THĂM DỊ - KHAI THÁC DẦU KHÍ nghịch đảo tồn dạng sóng nằm số mục tiêu tương lai Lời cảm ơn Nhóm nghiên cứu xin cảm ơn Viện Dầu khí Việt Nam (VPI) hỗ trợ phát triển công nghệ tomography theo thời gian truyền Tài liệu tham khảo [1] Ian F Jones, An introduction to: Velocity model building EAGE, 2010 [5] Jonathan Richard Shewchuk, "An introduction to the conjugate gradient method without the agonizing pain" School of Computer Science Carnegie Mellon University, 1994 [6] Eliis, "PaleoScan software" [Online] Available: https://www.eliis-geo.com/paleoscan-overview-a.html [7] B.E Cox and D.J Verschuur, "Tomographic inversion of focusing operators", 63rd EAGE Conference& Exhibition, Netherlands, 11 - 15 June 2001 DOI:10.3997/2214-4609pdb.15.M-35 [2] R.G Pratt, F Gao, C Zelt, and A Levander, "A comparison of ray-based and waveform tomographyimplications for migration", 64th EAGE Conference &Exhibition, 2002 DOI: 0.3997/2214-4609-pdb.5.B023 [8] Mahasweta Mahapatra and Samiran Mahapatra,"Seismic diffraction tomography technique using very fast simulated annealing", Journal of Applied Geophysics, Vol 67, No 2, pp 125 - 129, 2009 DOI: 10.1016/j.jappgeo.2008.10.004 [3] Gary F Margrave, "Ray tracing for inhomogeneous media", Numerical Methods of Exploration Seismology with Algorithms in MATLAB The University of Calgary, 2003, pp 105 - 112 [9] Sergey Fomel, "Shaping regularization in geophysical estimation problems", Geophysics, Vol 72, No 2, 2007 DOI: 10.1190/1.2433716 [4] Steven C Chapra and Raymond P Canale, Numerical methods for engineers McGraw-Hill Education, 2015 SOME RESULTS OF SEISMIC TRAVEL-TIME REFLECTION TOMOGRAPHY STUDY Pham The Hoang Ha, Doan Huy Hien, Ta Quang Minh, Mai Thi Lua, Nguyen Hoang Anh Vietnam Petroleum Institute Email: hapth@vpi.pvn.vn Summary Velocity model is essential for seismic data processing as it plays an important role in migration processes as well as time depth conversion There are several techniques to reach that goal, among which tomographic inversion is an efficient one As an upgrade version of handpicked velocity analysis, the tomography technique is based on the reflection ray tracing and conjugate gradient method to estimate an optimum velocity model and can create an initial high quality model for other intensive imaging and modelling module such as reverse-time migration (RTM) and full-waveform inversion (FWI) For the mentioned benefit, we develop a seismic travel-time reflection tomography (SeisT) module to study the accuracy of the approach along with building the technical capability in seismic processing The accuracy of the module has been tested by both synthetic and real seismic field data; the efficiency and the accuracy of the model have been proven in terms of development method as well as field data application Key words: Seismic signal processing, seismic reflection, ray tracing, velocity modelling, seismic tomography, tomographic inversion 48 DẦU KHÍ - SỐ 1/2022 ... 2.000 VậntốctốcVSP VSP Vận (Giếng) (Giếng) Vậntốctốcnghịch nghịch? ?ảo đảo Vận sau1 1lầnlầnlặplặpđộđộ sau sâumặt mặtphản phảnxạxạ sâu 1.500 1.500 2.000 2.000 Vậntốctốcnghịch nghịch? ?ảo đảo Vận sau2... 2.500 Vậntốc tốc( m/s) (m/s) Vận 2.000 2.000 3.000 3.000 VậntốctốcVSP VSP Vận (Giếng) (Giếng) Vậntốctốcnghịch nghịch? ?ảo đảo Vận sau3 3lầnlầnlặplặpđộđộ sau sâumặt mặtphản phảnxạxạ sâu Vậntốctốcnghịch... hình nghịch đảo Nghịch đảo vận tốc KHƠNG Thời gian truyền Thời gian truyền thực tế So sánh tối ưu hóa (sai số < epsilon) CĨ Mơ hình nghịch đảo tối ưu Nghịch đảo vận tốc Hình Quy trình thực nghịch