seonstca Colombiana N°.7 pp. 30-34 dictembre de 2003 Bogota, D.C. ISSN - 0121 - 2974 Efectos de las capas someras de alta velocidad en los datos sismicos aplicados a la detecci6n de hidrocarburos SAUL GUEVARA TRINO SALINAS CARLDS PIEDRAHITA e-mail: tsalinas@ecopetrol.com.co Grupo de Geofisica, Ecopetrol-Instituto Colombiano del Petr6leo. A.A. 4185, Bucaramanga, Santander, e-mail: sguerra@ecopetrol.com.co RESUMEN Las ondas elasticas son una importante fuente de informaci6n de las caracteristicas del interior de la tierra, necesarios en la busqueda de hidrocarburos y otros recursos minerales. Esta informaci6n es afectada generalmente por las capas someras, cu- yas caracteristicas distorsionan los datos provenientes de las capas de interes, usualmente mas profundas. Un caso, frecuente en la geologia colombiana es el de las capas someras de alta velocidad. En este caso las ondas siguen direcciones an6malas, y con frecuencia la informaci6n es muy dificil de identificar, ya que se generan eventos que la contaminan y probablemente la atenuan, Aunque se sabe que existe este efecto, muchos de sus detalles son desconocidos. Aqui se presenta uno de estos casos, se ilustra con modelamiento sismico con datos reales y se presenta una interpretaci6n de sus caracteristicas. PALABRAS CLAVE: METODO SISMICO DE EXPLORACION, ZONAS GEOLOGICAMENTE COMPLEJAS, ESTRATOS SOMEROS, AFLORAMIENTOS DE ROCAS DE ALTA VELOCIDAO, MODELAMIENTO SiSMICO, RUIOO COHERENTE ABSTRACT Elastic waves provide characteristics of earth interior, which are necessary in Hydrocarbon and mineral prospect ions. This in- formation is affected by shallow layers distorting the data coming from deep layers. In the colombian geology are fragment shallow layer with high velocity. In this case waves travel by anomalous paths being difficult to identity them, because these events contaminate and alternate the information considerated usefull. The effects associated to this phenomena are unknown with details. In this paper, one of these case is presented througen sismic modeling and vial data with an interpretation about its characteristics. KEYWORDS: SEISMIC EXPLORATION, ZONES GEOLOGICALLY COMPLEX, SHALLOW STRATA, HIGH SHALLOW VELOCITY LAYER, SEISMIC MODELING. COHERENT NOISE INTRODUCCION Las ondas sismicas elasticas son utilizadas en la exploraci6n de hi- drocarburos para obtener imagenes de detalles geol6gicos dentro de la tierra. Una tecnologia avanzada, el metodo sismico de explo- raci6n, se ha generado con este fin, y notables exitos se han ob- tenido por este medio. Tipicamente en el piedemonte de las cordilleras se encuentran zonas de interes petrolifero en Colombia. En este caso, es impor- tante considerar el efecto de la abrupta geografia y compleja geo- logia que caracteriza a la presencia de la cordillera de los Andes. Manuscrito recibido para evaluacon el 24 de julio de 2003. Articulo aceptaoo para publicaci6n por el Comtte Edttorial el 30 de octubre de 2003. 30 En general, las caracteristicas de los registros sismicos generados en estas regiones con fines exploratorios se salen de los estandares encontrados en otras zonas menos complejas, y la informaci6n ob- jetivo es mas dificil de recuperar. Uno de los obstaculos que hay que superar para obtener imageries de la geologia es el efecto de las capas someras. Normalmente estas son capas de baja velocidad, y con propiedades heterogeneas, afec- tadas por efectos de la meteorizaci6n y depositaci6n, 10 que con- tribuye a distorsionar la imagen de los estratos de interes, mas profundos. Dentro del metodo sismico de exploraci6n se han ge- nerado tecnicas para contrarrestar estos efectos, conocidas en la in- dustria como correccion estatica (Cox, 1999). Sin embargo, en el piedemonte colombiano, y en otras partes del mundo, con frecuencia GEOFiSICA COLOMBIANA, 7, DICIEMBRE DE 2003 Ot.st.bt'i':;_ =2.6 1000 rn _____ V_P_=_3_8_0_0_rn_I_S__ Y_=_2_.0__ r>_=_2_A I~O m Vp=4200 rnls Y=2.0 r>=2A Figura 3. Modelo geologico A, con el afloramiento de un estrato de alta velocidad. Vp=1250 rnls 1'=2.0 p=2.1 t 30 rn Vp=4800 rn/s 1'=2.0 f'=2.6 1000 rn Vp=3800 rn/s 1'=2.0 f'=2.4 500 r-rt Vp=4200 rnls Y=2.0 r>=2A Figura 4. Modelo geologico, B can una capa somera de baja velocidad sabre un estra- to de alta velocidad. una serie geofonos (sensores 0 sism6grafos) en una zona compleja y con afloramiento de rocas igneas. La figura 2b muestra un registro resultante de un experimento sismico en una zona de caracteristicas mas normales, es decir sin topografia compleja 0 afloramientos de alta velocidad. N6tese que en este ultimo caso es mucho mas facil identificar los eventos correspondientes a las interfaces geol6gicas de interes, Un modelo simplificado se estudia con el objeto de identificar caracteristicas de la propagaci6n de las. ondas en este tipo de te- rreno. En esta aproximaci6n se dejaron de lado efectos de la topo- grafia y de la heterogeneidad lateral de los estratos, para concentrarse en los eventos sismicos generados por la variaci6n vertical de velocidades y comparar estos efectos con 10 que se ob- serva en los datos reales. Se utilizaron dos modelos geologicos, uno con un estrato espeso de alta velocidad (modelo A, figura 3) y otro con una cap a de baja velocidad sobre un estrato espeso de alta velocidad (modelo B, figura 4). El estrato de alta velocidad simula rocas igneas. Para el modelamiento de propagaci6n de las ondas se utilizaron dos rnetodos que se pueden considerar complementarios entre si: 32 GUEVARA ET AL. diferencias finitas y trazado de rayos. EI metoda de diferencias fi- nitas utiliza una sirnulacion basada en aproximaciones nurnericas a las ecuaciones diferenciales parciales de la propagaci6n de las ondas elasticas. Una caracteristica muy importante de este metodo es que genera todos los eventos de 1a propagacion de ondas en medios elasticos, En el trazado de rayos, los frentes de onda son remplazados por sus normales, conocidas como rayos. Este metodo tiene flexibilidad para mostrar varios tipos de caracteris- ticas de los datos e identificar diferentes eventos y, ademas, es muy eficiente computacionalmente. Para el metoda de diferencias finitas se utilize el algoritmo elastico de dos dimensiones desarrollado por Levander (1988). Este tipo de algoritmo establece limitaciones a las dimensiones y caracteristicas del tipo de modelo que se puede utilizar, relacio- nados con los recursos computacionales necesarios y con los po- sibles problemas numericos que se generan en el proceso de calculo. Estos factores influyeron en el modelo de velocidadcs considerado, asi como en el contenido de frecuencias elf' la fuente de energia (con una frecuencia dominante de 15 Hz). Para el mo- delamiento por trazado de rayos se utilize el software Norsa?M 2-D. RESULTADOS La figura 5 muestra el resultado de la componente vertical para el modelo A, en el que aflora un estrato superior de alta velocidad, segun el metodo de diferencias finitas. La fuente de energia uti- lizada tiene una frecuencia dominante de 15 Hz. Se observan reflec- ciones tipicas de las interfaces del modelo, para varios tipos de onda. La identificaci6n de los tipos de onda se puede confirmar por medio de la instantanea 0 snapshot de la figura 5b, correspondiente Disparo A o 1000 2000 3000 4000 5000 Figura 5a. Resultados del modelamiento de diferencias finitas sabre el modelo A. Observese que las reflecciones se distinguen facilrnente, GEOFislCA COlOMBIANA, 7, OICIEMBRE DE 2003 EFECTOS DE LAS CAPAS SOMERAS DE ALTA VELOCIDAD EN LOS DATOS SiSMlCOS APLICADOS A LA DETECCION DE HlDROCARBUROS Figura 5b. Instantanea 0 snapshot de la propagaci6n de las ondas a traves del modelo A para un tiempo de 0,6 segundos. Dispero B 0.5 500 1000 1500 2500 3000 3500 4000 4500 Figura 6a. Resultados del modelamiento de diferencias finitas sobre el modele B. Observese la dificultad para distinguir las reflecciones y la presencia de varios eventos que interfieren (ruido). o SOD 1000 1SOD 500 lOUO 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 Figura 6b. Instantanea 0 snapshot de la propagaci6n de las ondas a travcs del modelo B para un tiempo de 0,6 segundos. a 0,6 segundos. En esta figura tam bien se nota que las ondas refle- jadas (modos Pp y Ps) inciden en angulo agudo con la superficie del terreno. Tambien se pueden observar algunos "artefactos" debidos al calculo numerico y no a la propagacion de la onda, como la dis- persion en el even to GR y la refleccion de borde R. GEOFlslCA COLOMBIANA, 7, OICiEMBRE DE 2003 Las figuras 6 y 7 muestran los resultados del modelamiento del modelo B, que tiene una delgada capa de baja velocidad sobre el estrato de alta velocidad. La figura 6 corresponde al resultado del rnetodo de diferencias finitas, y la figura 7 al trazado de rayos, Las reflecciones con informacion de las interfaces de interes se pueden identificar en la figura 7. En la figura 6 se muestra el pre- dominio de varios tipos de eventos, que hacen dificil la identifi- caciori de las reflecciones provenientes de las interfaces de interes, Para este modelamiento se utilize una fuente de energia con frecuencia dominante de 12 Hz. Se pueden notar dos tipos de eventos lineales predominantes, con caracteristicas diferentes entre sf y que aparentemente se repiten varias veces. Las veloci- dades aparentes de los dos eventos son de 4,800 y 2.000 m/s; sin embargo se puede notar cierta dispersion, dado que la velocidad muestra cierta disrninucion en los eventos mas tardios. Estas velo- cidades corresponden, la primera, a la de las ondas P del estrato de alta velocidad, y la segunda, aparentemente a una velocidad menor que la de la onda S del mismo estrato. Este ultimo hecho coincide con una caracterfstica de las ondas de superficie (Ray- leigh), cuya velocidad suele ser menor que la de las ondas S. Adernas este segundo evento muestra mayor contenido de energia, De un rapido analisis de polarizacion del segundo evento se observe que muestra una tendencia al movimiento eliptico tipico de las ondas de superficie. Las instantaneas de la figura 6b presentan caracterfsticas de los diferentes eventos. Aquf tarnbien se observan los numerosos eventos repetidos. Tarnbien se puede ver que la longitud de onda es mayor al espesor de la capa de baja velocidad, y que en este es- trato se generan muchos eventos inexistentes en el modele A. Trazado de rayos Modelo B 0.5 1.5 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 Figura 7. Resultado del modelamiento con trazado de rayos en el modele B. S6lo aparecen las reflecciones provenientes de los estratos de interes y arribos directos. 33 GUEVARA ET AL. DISCUSION Al comparar los resultados anteriores con los datos reales de la figura 2, y teniendo en cuenta la simplicidad de este modelo nu- merico comparado con el caso real, se observan similitudes entre los datos de la figura 2a y los resultados de la figura 6. En la figura 2a, los eventos reflejados son aparentemente imposibles de identi- ficar, y 10 mas coherente que se observa son eventos aproximada- mente paralelos con dos direcciones predominantes, como en la figura 6. Los datos de modelamiento parecen mostrar que, en el caso de capas de alta velocidad cubiertas por una delgada capa de baja ve- locidad, varios eventos diferentes a las ondas sismicas compresio- nales provenientes de las capas profundas se generan y predominan en el campo de onda detectado en la superficie. Segun estos datos, los eventos repetidos que arriban primero parecen co- rresponder a reverberaciones de refracciones en la interface de alta velocidad. EI grupo que arriba mas tarde parece corresponder a ondas de superficie, perc que a su vez genera un tipo de reverbe- racion relacionada con ella. Este resultado corresponde y puede dar una explicacion a los datos reales, como por ejemplo los ob- servados en la figura 2. Sin embargo, es necesario tener en cuenta varias caracteristicas de los datos reales, asi como limitaciones del modelamiento para interpretar mas acertadamente estos resultados. Una de elias es que el modelamiento esta basado en un modelo elastico e iso- tropico y referido a un medio homogeneo, y la tierra tiene compor- tamientos anelasticos (atenuacion), cambio de propiedades con diferentes direcciones y cambios de propiedades dentro de los es- tratos. Ademas, el modelamiento tiene sus propios requisitos, que en este caso se traduce en una relativa baja frecuencia en la Fuente de energia, 10 cual puede contribuir a efectos como la dispersion. CONCLUSIONES En este trabajo se muestra la factibilidad de que la interaccion entre una capa muy somera de baja velocidad (capa meteorizada 0 weathering) y un estrato rocoso de velocidad muy alta genere un 34 alto nivel de ruido coherente que contribuye a la dificultad para obtener informacion de estratos sedimentarios mas profundos, de interes en la industria petrolera. Experimentos posteriores pueden contribuir a una caracteri- zacion detail ada de propagacion de las ondas en este tipo de medios, y, con base en eso, a la busqueda de metodos que per- mitan contrarrestar su efecto pemicioso en la obtencion de infor- macion geologica del subsuelo. Filtramientos de estos efectos implican una diferenciacion de las caracteristicas de estos eventos de ruido coherente comparado con los datos de reflecciones que queremos resaltar. AGRADECIMIENTOS Este trabajo se debe a Ecopetrol, empresa que facilito los medios para su realizacion, Tarnbien se conto con la contribucion de Hector Alfonso, de Exploracion Ecopetrol, en el planteamiento de este tipo de problemas y su relacion con ejemplos de casos reales. Se agradece al proyecto Crewes de la Universidad de Calgary y a Gerald Schuster y su gropo de la Universidad de Utah que nos faci- litaron herramientas de software y el codigo de modelamiento pOT diferencias finitas, asi como a la compafiia Norsar que facilito el software de modelamiento pOTtrazado de rayos. REFERENCIAS Cox, M. (1999). Static corrections for seismic reflection surveys. SEG Geophysical References. FLIEDNER,M. y WHITE,R. (2001). "Seismic structure of basalt flows from surface seismic data, borehole measurements, and synthetic seismo- gram modeling". Geophysics 66, 1925-1936. JONES,N, y GAISER,1. (1999). "Imaging beneath high-velocity layers". Mlh SEG meeting abstracts. LEVANDER,A. (1988). 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