SONDERDRUCK AUS ERDOEL-ERDGAS, 101. Jg., HEFT 7 / 8 , Jul i/ August 1985, S. 237-249 URBAN-VERLAG Hamburg / Wien

3D-seismische Vermessung und Interpretation in einem produzierenden Erdöl- und Gasfeld in Nordwest-Deutschland

3D seismic surveying and interpretation in a producting oil and gas field in North-West Germany

Von W HOPPE, H. -P. NEUMANN, R. BADING, W BODEMANN und H.-G. WECKER

M@biIOilAG

PRAKLA-SEISMOS AG

3D-seismische Vermessung und Interpretation in einem produzierenden Erdöl- und Gasfeld in Nordwest-Deutschland 3D seismic surveying and interpretation in a producting oil and gas field in

North-West Germany

Von W. HOPPE, H.-P. NEUMANN, R. BAD/NG, W. BODEMANN und H.-G. WECKER*

Kurzfassung

Es wird über die ersten dreidimensionalen reflexionsseismi­schen Messungen in Deutschland berichtet, die im Rahmen der Aufsuchung von Kohlen wasserstoffen für die Erdöl- und Erdgasindustrie im Bereich produzierender Felder durchge­führt wurden. Die 3D- Vermessung stellt ein sehr aufwendiges und kostenin­tensives Meßverfahren dar, das zunächst in einer begrenzten Fläche von ca. 43 km2 getestet wurde. Das umfangreiche Datenvolumen und moderne Rechenprozesse ermöglichen mit der Fülle der erhaltenen Informationen komplizierte tektonische Gebiete sicherer zu interpretieren.

Abstract

The first 3D reflection seismic surveys in the Federal Republic of Germany, which were carried out in the area of producing fields under a hydrocarbon exploration programme of the oil and gas industry, are described. The 3D survey is a very complex and cost-intensive volume obtained and modern computer processes permit a more reliable interpretation of complicated tectonic areas.

Einführung

Zu Beginn des Jahres 1979 wurde erstmalig bei den Gewerk­schaften Brigitta und Elwerath Betriebsführungsgesellschaft mbH sowie der Mobil Oil AG die Durchführung einer dreidi­mensionalen reflexionsseismischen Vermessung erwogen. Man einigte sich auf ein Pilotprojekt, durch das Erfahrung hinsichtlich Durchführbarkeit, Zeitaufwand, zu erwartende Qualität und Kosten für zukünftige Messungen gesammelt werden sollten.

* W. Hoppe, Brigitta und Elwerath Betriebsführungsgesellschaft mbH, Han­nover; H.-P. Neumann, Mobil Oil AG , Celle; R. Bading, W. Bodemann , H.-G. Wecker, PRAKLA-SEISMOS GMBH, Hannover.

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Campan.San ton ()berkreide

Alb

Wealden

NORDSEE

Celle •

~Hannover

Abb. I Ubersichtskarte

Die Vorteile der 3D-Vermessung, wie:

- große Datenfülle auf engstem Raum, - Erfassung der wahren raumtiefen Lage von Reflexions-

elementen durch den Prozeß der 3D-Migration mit anschließender Tiefenstreckung,

- Möglichkeit zur Ausspielung vertikaler Schnitte in jeder beliebigen Richtung sowie Präsentation von horizontal orientierten Schnitten (Zeitscheiben ) aus dem dreidimen­sionalen Datenblock (Fläche x Laufzeit),

empfehlen diese Methode für Detailaussagen, insbesondere zur Beschreibung tektonisch komplizierter Gebiete und Felder, deren Tektonik noch unklar ist.

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Abb. 2 0eulogüc:her ProJilschnitt W-t. (n. Dr. Müller-Deile, Mobil Oil).

3

Ende 1979 wurde eine 3D­Messung im Bereich von zwei benachbarten produzierenden Erdgas- und Erdölfeldern durch­geführt (Abb. 1). Die Aufschluß­ziele dieser Messung liegen für das Erdöl in ca. 1500 m, für das Erd­gas in ca. 3000 m Teufe.

Geologische Situation

s Ag

N AB A7

Die produzierenden Felder A und B (Abb. 2) liegen im Bereich des niedersächsischen Beckens mit seinen überaus komplexen geolo­gischen Strukturen. Die geologi­schen Profilschnitte (Abb. 2 und 3), in EW- und NS-Richtung durch die beiden Felder gelegt, veranschaulichten diese kompli­zierte Tektonik. Die Abb. 2 zeigt, daß die Lagerung des Zechsteins in den Feldern A und B sehr unter­schiedlich interpretiert werden muß. Während in Feld A Rötsalz teilweise direkt dem Zechsteinsalz aufliegt, und in Bohrungen mehr­fach eine Wiederholung des Hauptdolomits anzutreffen ist, wurde in Feld B bislang eine nor­male Zechsteinabfolge erbohrt. Die NS-Profile (Abb. 3a und 3b) demonstrieren ebenfalls die nach

Abb.3a Geologischer Profilschnitt N-S Feld A (n. Dr. Hügel, BEB).

geologischer Interpretation unterschiedliche Lagerung des Stassfurt Karbonats. Bemerkenswert ist darüber hinaus die starke tektonische Zerstückelung des Mesozoikums.

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O ber karbon

Abb. 3b Geologischer Profi/schnitt N-S Feld B (n . Dr. Färber, Mobil Gil).

4

Planung und Durchführung der Messung

Bei der Planung einer 3 D-seismischen Vermessung geht man von vorgegebenen physikalischen Größen aus, wie der Aus­

N dehnung und Tiefe des Auf­schlußziels, den vorliegenden seismischen Geschwindigkeiten sowie den maximalen zu erwar­tenden Horizontneigungen. Auch die obere Grenzfrequenz der seis-mischen Signale - falls man sie kennt - gehört zu diesen Größen, aus denen der maximale Punktab­stand amax im Untergrundgitter zu bestimmen ist. Ein Überschreiten von amax bringt beim späteren 3D­Migrationsprozeß die Gefahr von »Aliasing« mit sich, verbunden mit starker Beeinträchtigung des Nutz/Störverhältnisses. Ein Unterschreiten von amax ist dage­gen mit überproportionaler Kostensteigerung verbunden. (Eine Reduktion des Gitterab­standes von 25 m auf die Hälfte würde eine Vervierfachung der Kosten mit sich bringen!) Der maximale Punktabstand amax errechnet sich wie folgt:

amax = 4f . max • Sin U max

3000 4 . 60 . sin 30°

=25 m.

V SI = Stapelgeschwindigkeit

fmax = obere Grenzfrequenz des Signals

3660 368018 3700 3720 3740 3760 3770 I I I

17

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3401 3670 I

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3001 307Q ---+---+--~--~--~--~--~--~~+---+---~~--~--~---+--~~~

Die Dimensionen der zu vermes­senden Fläche - ca. 8 km in OW­Richtung und 5 km in NS-Rich­

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14 13

12

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2470 IV 227q

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tung - ergaben sich aus der Lage­beziehung der benachbarten pro- 2001 du~erenden ~WeL D~B~üc~ 180~1--~--~~--~--~------~----~~~~~--~--~------~~~~

II

sichtigung der Neigungsaperturen (wegen Migration der Horizonte) führte zu einer effektiven Oberflä­che von 8,45 km x 5,1 km. Außer den vorgegebenen Größen, die für die Meßdichte maßgeblich sind, gibt es noch frei wählbare Fakto­ren, die einerseits die Qualität, andererseits die Kosten der Ver­messung beeinflussen bzw.

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bestimmen. Durch eine Erhöhung A bb. 5

des Überdeckungsgrades kann in gewissen Grenzen die Qualität verbessert werden, was allerdings mit einer proportionalen Kosten­

A uf teilung der Gesamtfläche in Geophonlinien und Meßstreifen (1-V) . Die hervorgehobenen A bschnitte der L inien 4 bis 9 entsprechen einem Block von 240 gleichzeitig registrierenden Geophonstationen. Die grau unterlegte Fläche zeigt die dazugehörige Untergrundüberdeckung.

steigerung verbunden ist. Andererseits sinken die Kosten pro Flächeneinheit etwa proportional mit der Steigerung der Anzahl der gleichzeitig registrierbaren seismischen Statio­nen und der Zahl der pro Tag aufgenommenen Seismo­gramme, d. h. mit der Zahl der eingesetzten Bohrgeräte und der Zahl der seismischen Kanäle. In unserem Fall standen zwei DFS-V-Instrumente zur gleich­zeitigen Registrierung von 240 Spuren zur Verfügung. Der Bohrbetrieb war so ausgelegt, daß täglich 72 Schüsse aus Einzel-Bohrlöchern abgetan werden konnten.

Das Geophonpattern

Bei einer flächenhaft angelegten Messung muß auch die Geophongruppen-Anordnung flächenhaft und möglichst allseitig wirksam sein. Unser Standardpattern aus 18 Geo­phonen (3-Arm-Windmühle s. Abb. 4) ist wegen seiner

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3

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Abb. 4 3D-Geophonpattern mit Fi/terkurve

60°-Symmetrien dafür gut geeignet. Die allseitige Dämpfung beträgt etwa 12 dB, was einer Störwellen-Restamplitude von 25 % entspricht.

Die Meßanordnung

Die Gesamtfläche wurde in OW-Richtung in die Meßstreifen I bis V unterteilt, die sich - wie in Abb. 5 gezeigt - jeweils zu 50 % überlappten. Ein Meßstreifen bestand aus sechs Geo­phonlinien, die untereinander Abstände von 300 m aufwie­sen. Ein » Meßblock« aus 6 Linien mit einer Schußtraverse bestehend aus 18 Schußpunkten, die 125 m vor und senk­recht zu den Linien angeordnet ist, wird in Abb. 6 vorgestellt. Die längere Seite des Meßblocks wurde parallel zur Richtung des allgemeinen geologischen Streichens gelegt. Um eine Azimut-Abhängigkeit der dynamischen Korrekturen zu ver­meiden, ist die kürzere Seite eines Meßblocks auf ein bestimmtes Höchstmaß ~max zu beschränken, dessen Wert dem Diagramm in Abbildung 7 zu entnehmen ist. Wenn diese Werte eingehalten werden, kann der Einfluß der Quer­neigung a auf die Stapelgeschwindigkeit vst vernachlässigt, d. h. cos a = 1 gesetzt werden.

Hier: für to = 2s, vst = 3000 ml s, fmax = 60 Hz und a = 20° ergibt sich: aymax = 1,6 km (gegen aktuell ~ = 1,175 km).

Die Geophongruppenabstände auf den Linien und die Abstände zwischen den Schußpunkten betrugen jeweils

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x ..... 2075 m y .... = 1175m

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Abb. 6 Anordnung der 240 Geophonstationen und 18 Schußpunkte inner­halb eines Meßblocks. Wie in A bb. 5 zeigt die unterlegte Fläche die dazugehörige Untergrundüberdeckung.

5

50 m (Abb. 6). Die Intervalle zwischen aufeinanderfolgen­den Traversen 500 m. Durch diese Technik ergibt sich ein Untergrundsgitterabstand von 25 m. Der Überdeckungsgrad (wie neben und unter dem Block dargestellt) betrug 3fach in y-Richtung, also quer zur Richtung des Meßfortschritts, und 2fach in x-Richtung (Arbeitsrichtung), d. h. 6fach insgesamt. Die Gesamtzahl von 1620 aufgenommenen Seismogram­men resultiert aus 5 Meßstreifen x 18 Schußtraversen x 18 Schußpunkte pro Traverse. Die Feldarbeitszeit betrug 230 Stunden, die Zahl der Untergrundpunkte in der 40,9 km2

großen Untergrundfläche 65280.

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Abb.7 Begrenzung aymax der Breite eines Meßblocks (n. R. Bading).

Datenverarbeitung

Die Feldaufnahme erfolgte durch zwei Aufnahmeapparatu­ren mit je 120 Spuren. Deshalb mußten bereits zu Anfang der Datenverarbeitung neben den üblichen Qualitätskontrollen zusätzliche Prüfungen der Meßdaten vorgenommen werden, um eine einwandfreie Zusammen führung der verschiedenen Aufnahmedaten zu einer Einheit von 240 Spuren zu garan­tieren.

Abb. 9 Plan der Unlergrundüberdeckung

6

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Abb. 8 Ablaujdiagramm der Datenverarbeitung

Dem Ablaufdiagramm für 3D-Datenverarbeitungen (Abb. 8) folgend wurde als erste Kontrolle der Feldgeometrie ein Oberflächenkontrollplan erstellt, der mit dem Lageplan des Meßtrupps übereinstimmen mußte. Von dieser geometri­schen Zuordnung ausgehend wurde ein farbiger Lageplan der Untergrundüberdeckung erstellt (Abb. 9). Hiernach konnte mit der Bearbeitung der seismischen Daten begon­nen werden. Beim Demultiplexen der Meßdaten wurde

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............................. " .... .............................................................. ......... ............................................................. . A bb. 10 Kontrolldarstellung der statischen Grundkorrekturen (tsd- und tgd- Werte).

gleichzeitig die Vergabe der Schuß/Geophon-Koordinaten, die Anbringung der statischen Grundkorrekturen (Abb. 10) und die Sortierung der Meßdaten nach gemeinsamen Unter­grundpunkten (CDPs) durchgeführt. Zur Verbesserung der Einzelspur-Qualität bzw. des Signal! Noise-Verhältnisses (S/ N-) wurden an ausgewählten X­bzw. Y-Profilen Teste zur Optimierung der Bearbeitungspa­rameter für Normierung, Vorfilter, Dekonvolution und Fader an Einzelseismogrammen bzw. in Form von Stapelte­sten vorgenommen. Die Bestimmung optimaler Stapelgeschwindigkeiten er­folgte über Geschwindigkeitsanalysen in X- und Y-Rich­tung. Nach der Interpretation dieser Analysen wurden für Kontrollzwecke die Geschwindigkeitsfelder für bestimmte Reflexionslaufzeiten bzw. -horizonte in Form von Isoplänen dargestellt. Für die automatische Bestimmung statischer Nachkorrekturen kam das 3D-ASTA-Programm zur An­wendung. Ähnlich wie die Grundkorrekturen in Abb. 10 können auch die gefundenen statischen Restkorrekturen sichtbar gemacht werden. Die endgültige Stapelung wurde mit überarbeiteten Geschwindigkeitsfeldern und den auto­matisch bestimmten statischen Nachkorrekturen durchge­führt (Abb. 11). Die Finite-Difference-Migration wurde nach dem Splitting­Verfahren, d. h. durch wechselseitige Berechnung der Wel­lenfelder für die X- bzw. Y-Richtung, durchgeführt (Abb. 12). Die neigungskorrigierten und geglätteten Stapelgeschwin­digkeiten dienten als Eingabe für die Migration. Die Abb. 13 zeigt die für die Laufzeit von 900 ms angewandten Migra­tionsgeschwindigkeiten. Das Ergebnis der 3D-Finite-Difference-Migration (ED.­Migration) des in Abb. 11 gezeigten Profils ist in Abb. 14 dar­gestellt. Das S/ N-Verhältnis ist jetzt deutlich verbessert. Eine zusätzliche Verbesserung des S/ N-Verhältnisses konnte durch die flächenhaft angewandte Gewichtungsfunk­tion AR WE erzielt werden (Abb. 15), ersichtlich aus der Gegenüberstellung der Abbildungen 14 und 15. Der durch die Finite-Difference-Migration bereitgestellte

10

3.0

Abb. 11 3D-Profil 16 nach 6fach-Srapelung

dreidimensionale Datenblock kann zur Herstellung vertika­ler Schnitte (wie bisher gezeigt) aber auch zur Erzeugung horizontaler Schnitte - den sogenannten >Zeitscheiben< -herangezogen werden, wobei der Abstand zwischen zwei Zeitscheiben einer >Sampling Rate< oder einem Vielfachen davon entspricht. Die Abbildungen 16a und 16b zeigen zwei Zeitscheiben zu verschiedenen Laufzeiten, aus denen die Veränderung der Konturen ersichtlich wird. Bei einer Bearbeitung von 3D-Meßdaten sollte wegen des großen Datenvolumens und dem damit verbundenen Arbeitsaufwand den nachfolgenden Bearbeitungsschritten besondere Beachtung gewidmet werden:

1. Geometrie- und Qualitätskontrolle, 2. Verbesserung des S/ N-Verhältnisses der Einzelspuren

sowie der Stapel- und Migrationsergebnisse, 3. Optimale Erfassung aller statischen und dynamischen

Korrekturen, 4. Flächenhafte Entwicklung der Geschwindigkeitsfelder

für Stapelung und Migration.

7

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Abb. 12 Schema des 3D-Spliuing­

Verfahrens

Abb. 13 Migrationsgeschwindigkeiten bei einer Laufzeit von 900 ms

f [X.Y.!'l :;0 )

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Abb. 14 3D-Profil 16 nach Finite-Difference-Migration

8

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MIGRATED AREA

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SPLITTING - METHOD

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1.0

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Abb.15 3D-Profil 16 nach Anwendung der Gewichtungsfunktion ARWE

NW SE

A2 A3 A4 A6

Abb.16a Horizomaler Schnitt bei einer Laufzeit von 1536 ms

Abb. 16b Horizontaler Schnitt bei einer Laufzeit von 1600 ms

A bb. / 7 2D-Prn/1I f)

9

Abb. 18 3D-Prof il6

Interpretation

NW

A2 A3

Für die Interpretation der 3D-Meßdaten wurden aus dem Datenblock Vertikalschnitte beliebiger Richtungen und auch Horizontalschnitte (Zeitscheiben ) benutzt. Zum Qualitätsvergleich werden einige 2D-Profile (Abb. 17 und 19) den lagemäßig entsprechenden 3D-Profilen (Abb. 18 und 20) gegenübergestellt. Die 3D-Profile zeigen im Laufzeitbereich etwa unterhalb einer Sekunde deutliche Verbesserungen gegenüber den entsprechenden 2D-Profi­len. Einschränkend ist allerdings zu bemerken, daß für die oberen Laufzeitbereiche durch die relativ langen Aufstel-

Ahb. fI.) 2D-Projil/3

10

SE

A4 A6

vo

z

lungsweiten (xmax = 2075 m) und durch den relativ geringen Überdeckungsgrad von maximal nur 6fach eine Qualitäts­minderung in Kauf genommen werden mußte. Einige aus der Gesamtfläche (Abb. 21) ausgewählte und interpretierte 3D-Profile, nämlich zwei NS-Profilschnitte (4 und 10), ein WE-Schnitt (17) sowie eine Zeitscheibe (Lauf­zeit 1600 ms) - veranschaulichen die strukturellen und geo­logischen Verhältnisse. Profil 4 (Abb. 22) schneidet Feld A und Profil 10 (Abb. 23) Feld Bin NS-Richtung, während Profil 17 (Abb. 24) beide Felder in WE-Richtung erfaßt. Aufgrund der großen Profil-

"vo

::z

SSE 83

1

dichte, die aus einem 3D-Datenblock zu gewinnen ist und mit Hilfe von Zeitscheiben können in Verbindung mit den schon vorhandenen Bohrergebnissen wesentlich detaillier­tere Aussagen hinsichtlich der Tektonik gemacht werden. In allen Profilen fällt für den Zechsteinbereich (Horizont» Z«) eine ausgeprägte Bruchschollentektonik ins Auge. Dieser regionalgeologische Wesenszug ist für die weitere Erdgasex­ploration von großer Bedeutung. Markant zeichnet sich in den Abbildungen 22, 23 und 25 die bereits bekannte komplizierte Tektonik des Mesozoikums

NNW

Abb. 20 3D-Profil J3

ab. Insbesondere sei in den NS-Schnitten und der Zeit­scheibe bei 1600 ms Laufzeit auf die große Abschiebung und die mit ihr in Zusammenhang stehenden Störungen im Nordteil hingewiesen (Abb. 22, 23 und 25). Im WE-Schnitt (Abb. 24) scheint im Zechstein bereich zwischen den beiden Feldern A und Bein Grabensystem für die weitere Beurtei­lung wichtig zu sein. Als Teilergebnis der Interpretation aus der 3D-Messung resultiert der Tiefenlinienplan für Horizont »Z« (Top Hauptdolomit) im Bereich des Feldes B (Abb. 26).

9 10 13

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11

Die schon in den Profilen deutlich zu ehende Bruch chol­lentektonik findet im Tiefenlinienplan ihren Niederschlag. Die Streichrichtung der Hauptstörungen i t bevorzugt hercy­nisch bzw. rheinisch. Abbildung 27 zeigt eine Tiefendarstellung des Horizonte »Z«, gewonnen aus früheren seismischen Messungen (20-Profile). (Der Bereich des damit zu vergleichenden 30-Tiefenlinienplans (Abb. 26) ist gerastert eingetragen). Die wesentlichen Unterschiede sowohl in der Linienführung als

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Ober\{reide , ~ ...

Alb

Valendis

Wealden

Lias

Rhät

Muschelkalk

Buntsandst. Zechstein

A bb. 22 3D-Prof il4

auch im Störungspattern, treten offenkundig in Erscheinung. Der 3D-Tiefenlinienplan für Zechstein diente zur Lokation einer neuen Bohrung, die durch einen roten Punkt im Plan (Abb. 26) markiert wurde. Das die Bohrlokation schnei­dende NS-Profil (Abb. 28) verdeutlicht die strukturelle Situation der neuen Bohrung. Sie hat inzwischen ihr Ziel erreicht, wurde im Zechstein karbonat gasfündig und bestä­tigte die 3D-Interpretation.

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Zechstein

Abb. 23 3D-Profil 10

12

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Zusammenfassung

Ende 1979 wurde in 26,5 Arbeitstagen die mit 43,1 km2 bis dahin weltweit größte zusammenhängende Landfläche mit zwei DFS-V-Meßapparaturen a 120 Spuren dreidimensional vermessen. 1413 Schußpunkte und 3 060 Ge~phonstationen führten zu 65 280 Untergrundpunkten. Der Uberdeckungs­grad war 6fach und das Untergrundraster 25 x 25 m. Die

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Wealden

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8untsandst ..

Zechstein

Abb. 24 3D-Profili7

Abb. 25 Zeitscheibe bei Laufzeit i600 ms.

angewandte Aufnahmetechnik ergab ein optimales Signal! Noise-Verhältnis für die 3 D-Stapelung. Der 3 D-Migrations­prozeß führte zu bemerkenswerter Verbesserung der Daten. Ihre Qualität und Quantität berechtigen zu der Hoffnung, daß für die nächste Zukunft keine weitere Seismik in diesem detailliert vermessenen Gebiet mehr notwendig sein wird. Für die Wirtschaftlichkeit sind hierbei zwei Schritte wesent­lich:

C? '.' 0 vo WO

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- Horizont LN -Horizont V -Störung

13

1. Es kann die Zeit verkürzt werden die zwischen einer »Discovery WeIl« und dem Ansatz von zusätzlichen Boh­rungen vergeht die tür die »Inproduktionsnahme« des entdeckten Feldes notwendig sind.

2. Die Kosten können dadurch erheblich gesenkt werden, daß autgrund der besseren 3D-Ergebnisse einmal die

Abb. 26 3D-Seismik Tiejenlinienplan Horizont "Z " (ca. Top Haupt­

dolomit). Dieser Plan ent­spricht der gepunkteten Fläche

in Abb. 27.

Abb. 27 2D-Seismik Tiejenlinienplan Horizont HZ . (ca. Hauptdolo­

mit). Die gepunktete Fläche entspricht dem Tiejenlinienplan

Horizont -Z · Abb. 26.

14

Anzahl der Entwicklungsbohrungen reduziert und zum anderen Fehlbohrungen weitgehend vermieden werden können.

Daher kann eine 3D-Vermessung in trukturell komplizier­ten Gebieten sowohl tür Aufschlußzwecke als auch zur bes­seren Feldesentwicklung empfohlen werden.

3D-Prof il 17

Dank

Oberl<reide

Alb

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Lias

Rhät

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Buntsandst.

Zechstein

5 I---

Den Firmen Brigitta und Elwerath Betriebsführungsgesell chan mbh . Han­nover. und der Mobi l Oil AG. Celle . gilt besonderer Dank für die Freigabe der D aten. Den Herren Dr. Hügel. BEB. sowie Dr. Müller-Deile und Dr. Färber, Mobil Oil , mochten wir für d ie geologischen Regionalinterpretationen danken.

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87 N

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0

Abb. 28 3D-Profi l 9

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