Microseismic reflection imaging

Abstract

The aim of this work is to expand the list of possible applications of microseismic data and use it for reflection imaging. Microseismic events are considered as an analogue of active seismic sources and the corresponding wavefield is treated as seismic reflection data. In this thesis a special method is developed that takes the specific character of microseismic waveforms into account and allows its use this wavefield for the imaging of seismically active zones.The first question one has to answer is whether any reflected waves are presented in the microseismic recordings. To check this, a new algorithm for grouping and sorting seismograms is proposed. The produced seismic data gathers show that in many cases microseismic waveforms contain coherent signals that can be associated with reflections. Low energy and the complicated radiation patterns of microseismic sources as well as the usually restricted data aperture, make the application of conventional imaging techniques problematic. The Microseismic Reflection Imaging method employs the directional migration approach called “Fresnel Volume Migration”. It strongly reduces the imaging artefacts caused by the low aperture of the data, but it requires the estimation of the polarity of the wavefield. Unfortunately, the exact calculation of the polarisation is not always possible for weak microseismic signals. The proposed method uses a hodogram analysis to identify the parts of the recordings for which one can get a reliable polarisation. Only these parts are then used for imaging, while the rest of the data are automatically excluded. The method takes advantage of the unique properties of microseismic data, such as location of the microseismic sources directly inside the area of interest and the high frequency of reflection data. This allows one to get images of small-scale heterogeneities in a seismically active zone or stimulated reservoir.The Microseismic Reflection Method is applied to both natural and induced seismicity data sets with various data qualities and acquisition geometries. The application results show the potential of microseismic waveform data for seismic reflection imaging. Migrated microseismic reflection data can provide information about the internal structure of a seismically active zone or a stimulated reservoir. Moreover, the presented method helps to observe the features of a seismically active area that are not visible to other methods.

Das Ziel dieser Arbeit ist es das Repertoire der Anwendungsmöglichkeiten mikroseismischer Daten zu erweitern und für die reflexionsseismische Abbildung zu nutzen. Hierbei werden mikroseismische Ereignisse als äquivalent zu aktiven seismischen Quellen behandelt sowie die korrespondierenden Wellenfelder als seismische Reflexionen. In dieser Arbeit wird eine neue Methodik entwickelt, welche die spezifischen Charakteristika mikroseismischer Wellenfelder berücksichtigt und geeignet ist, seismisch aktive Zonen abzubilden. In einem ersten Schritt muss geklärt werden, ob und inwiefern reflektierte Wellen in mikroseismischen Datensätzen auftreten. Hierzu wird ein Algorithmus zur Gruppierung und Sortierung der Seismogramme vorgestellt. Die erstellten Seismogrammsektionen (Seismic Data Gathers) zeigen, dass in vielen Fällen die mikroseismischen Aufzeichnungen kohärente Signale enthalten, welche mit Reflexionen assoziiert werden können. In vielen Fällen beeinträchtigen die geringe Energie, das komplizierte Abstrahlungsmuster und die kleine Apertur mikroseismischer Quellen die Anwendbarkeit konventioneller Abbildungsverfahren beträchtlich. Die hier entworfene Microseismic Reflection Imaging Methode basiert auf der Fresnel Volumen Migration (FVM), welche die Richtungsinformationen der aufgezeichneten Wellenfelder berücksichtigt. Die FVM verringert Abbildungsartefakte, welche durch eine geringe Apertur entstehen, erfordert jedoch die Abschätzung der Wellenfeldpolarisation. Diese ist für schwache mikroseismische Daten allerdings nicht immer durchführbar. Das hier vorgeschlagene Verfahren bemüht die Hodogrammanalyse zur Identifizierung jener Zeitfenster innerhalb der Seismogramme, welche eine verlässliche Bestimmung der Polarisation erlauben. Ausschliesslich diese Abschnitte werden im Folgenden verwandt, die anderen Teile werden automatisch aussortiert. Das Verfahren nutzt Vorteile mikroseismischer Daten, wie die Anwesenheit seismischer Quellen im Zielvolumen und die hohe Frequenz der Reflexionen gezielt aus. Somit können auch kleine Heterogenitäten innerhalb seismisch aktiver Zonen bzw. stimulierter Reservoire abgebildet werden.Die mikroseismische Reflexionsmethode wird an drei Datensätzen natürlicher und induzierter Seismizität getestet, wobei sich Datenqualität und Stationsverteilung stark voneinander unterscheiden. Die Ergebnisse belegen das Potential mikroseismische Daten für reflexionsseismische Abbildungsverfahren zu nutzen. Aus migrierten reflexionsseismischen Daten lassen sich Informationen über die aktive seismische Zone bzw. das stimulierte Reservoir gewinnen. Insbesondere stellt die hier entwickelte Methode eine Möglichkeit dar auch kleinskalige Reservoireigenschaften zu finden und abzubilden, welche von anderen Abbildungsverfahren nicht gesehen werden können.