Kuyu içi (VSP) sismik verilerinin konvansiyonel olmayan yöntemlerle kömür aramacılığına yönelik entegre analizi
Integrated analysis of wellbore seismic data by unconventional methods for coal exploration
Yazar: ALİ CANKURTARANLAR
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA EMİN DEMİRBAĞ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Jeofizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Jeofizik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Jeofizik Mühendisliği = Geophysics Engineering
Dizin: Dalga sönümü = Wave attenuation ; Düşey sismik profil yöntemi = Vertical seismic profile method ; Kanal dalgaları = Channel waves ; Sismik yansıma = Seismic reflection ; Vibrosismik = Vibroseismic ; Yer altı kömür madenleri = Underground coal mines

Özet:
Kuyu-içi sismik verilerinden elde edilen sıfır açılım düşey sismik profil atışları ile
havzaya ilişkin sismik hızlar yüzey sismiği yöntemlerine göre daha doğru elde
edilebilmektedir. Bu çalışmada, sahadan toplanan kuyu-içi sismik verilerinden
faydalanılarak havzayı temsil eden gerçekçi bir sismik hız modeli oluşturulmuştur.
Modelleme çalışmaları sonlu farklar algoritması kullanılarak gerçekleştirilmiştir.
Modelleme çalışması sonucunda üretilen gerçekçi hız modelinde yüzeyden 800
metreye kadar olan derinlikte P-dalgası hızları 600 m/sn ile 4000 m/s aralığında
değişirken, S-dalgası hızları 346 m/s ile 2309 m/sn aralığında değişmektedir.
Modelleme çalışmaları ile üretilen yapay sismogramlar, sahadan elde edilen atış
verileri ile karşılaştırmalı olarak incelenmiştir. Soma havzasında bulunan derin kömür
damarında (KM2) kanal dalgalarının yüzeyden uyarım mekanizması araştırılmıştır.
Model ve saha verilerinde gözlemlenen kanal dalgalarının sunduğu faz ve grup hızı
dispersiyon özellikleri analiz edilmiştir. Kömür damarının düşey yönde 5 ile 20 metre
aralığında ötelendiği yer modellerinden elde edilen faz hızı spektrumlarında
gözlemlenen dispersiyon genliklerinin ötelenme miktarıyla doğru orantılı olarak arttığı
gösterilmiştir. Grup hızı spektrumları, Sürekli Dalgacık Dönüşümü yöntemiyle elde
edilmiştir. Sürekli Dalgacık dönüşümü işleminde kullanılan 24 milisaniye
uzunluğundaki zaman sönümleme parametresi ile en yüksek çözünürlüklü grup hızı
spektrumu elde edilmiştir. Kanal dalgalarının gözlemlendiği kömür damarı
içerisindeki tek alıcının analizinden elde edilen grup hızı spektrumunun, kömür
damarını öteleyen süreksizlik ile alıcı arasındaki mesafenin bilinmesi halinde, kömür
damarı kalınlığının tahmin edilmesinde kullanılabileceği gösterilmiştir. Gerçekçi hız
modeli ile üretilen ve kömür damarı boyunca konumlandırılmış alıcılardan elde edilen
yapay sismogramların çok kanallı analizinden elde edilen faz hızı spektrumunda
gözlemlenen dispersiyon özelliği, benzer bir arazi uygulaması yapılabildiği takdirde
kömür damarı kalınlığı hakkında kestirim yapılabileceğini göstermektedir.
Soma havzasından elde edilen sürekli kuyu içi sismik kayıtları, arka plan gürültü
sismik interferometri yaklaşımıyla ele alınmıştır. Sismik interferometri yaklaşımında
alıcılar sanal bir atış noktasına dönüştürülmektedir. Bu yaklaşım ile, aktif bir sismik
kaynağa ihtiyaç duyulmaksızın, 605 metre derinlikteki düşey bileşen alıcı sanal atış
noktasına dönüştürülerek, sıfır açılım kuyu-içi sismik sanal atış topluluğu elde
edilmiştir. Çalışma kapsamında geliştirilen özgün veri işleme akışı sunulmuştur. Ön
spektral normalizasyon ile beraber uygulanan çapraz-ilişki ve çapraz-koherans
yöntemlerinden elde edilen sonuçların birbirine yakınsadığı gösterilmiştir. Yığma
sonrasında uygulanan spektral normalizasyonun cisim dalgalarını daha belirgin hale
getirdiği gösterilmiştir. Ham veri setindeki aktif sismik kaynağın ürettiği sinyallerin
bertaraf edilmemesi halinde, elde edilecek sanal atış topluluğunun hatalı sonuçlar
içereceği gösterilmiştir. Arka plan gürültü sismik interferometri çalışmasından elde
edilen sonuçlar modelleme ile üretilen yapay sismogramlar ve sahadan elde edilen
vibrosismik atış verileri ile karşılaştırılmıştır.
Tez çalışması kapsamında gerçekleştirilen modelleme çalışmaları sonucunda elde
edilen hız modelinin anelastik soğurulma özelliklerini içerecek şekilde güncellenmesi
amacıyla sahadan elde edilen atış verilerinin soğurulma analizi gerçekleştirilmiştir.
Soğurulma özelliklerini belirlemek amacıyla üç farklı hesaplama yaklaşımından
faydalanılmıştır. Bunlar, spektral oran, merkezi frekans yöntemi ve tepe frekansı
yöntemidir. Öncelikle tüm frekanslarda sabit sismik kalite faktörüne sahip tek tabakalı
bir yer modeli oluşturulmuştur. Bu model kullanılarak üretilen yapay sismogramlardan
üç hesaplama yöntemi ile Q değerleri hesaplanmıştır. En iyi sonucun Tepe frekansı
yönteminin verdiği belirlenmiştir. Sahadan aktif sismik kaynak ile elde edilen kuyu içi
sismik verilerindeki sismik kalite faktörü üç hesaplama yaklaşımı ile tespit edilmiştir.
Soma havzasının sunduğu tabakalanma yapısının sismik kaynak dalgacığının
ayrımlılık sınırının altında değerlere sahip ince tabakalar içeriyor olmasından dolayı,
alıcılar arasındaki bölümü temsil eden görünür Q değeri (Q=64) elde edilmiştir. Saha
verilerinden hesaplanan Q parametresi kullanılarak güncellenen gerçekçi hız
modelinden elde edilen sentetik sismogramların arazi verilerine yakınsadığı
gösterilmiştir.
Bu çalışma kapsamında ortaya konulan Soma havzası sismik hız modeli kullanılarak
kömür damarlarındaki kanal dalgalarının oluşum mekanizması, sismik intreferometri
ile sismik görüntüleme ve havzanın anelastik soğurulma özellikleri araştırılmıştır.
Kömür damarı içerisindeki kanal dalgalarının yüzeyden uyarımına ilişkin ilk saha
örneği tez kapsamında sunulmuştur. Bir kömür havzasında arka plan sismik gürültü
interferometri uygulaması ve ilk kez bu tez kapsamında sunulmuştur.

Abstract:
Vertical seismic profile (VSP) data acquired from zero-offset wellbore seismic records
provide significantly more accurate estimates of seismic velocities for the basin
compared to conventional surface seismic methods. This study leveraged VSP data
collected from the Soma Basin to construct a realistic seismic velocity model, offering
a detailed representation of the basin's subsurface properties. The velocity model was
developed using advanced finite difference algorithms, enabling the accurate
simulation of seismic wave propagation through the complex geological structures of
the basin.The P-wave velocities in the constructed velocity model range from 600 m/s
to 4000 m/s at depths extending to 800 meters, while S-wave velocities vary between
346 m/s and 2309 m/s. These velocity ranges reflect the heterogeneity and stratified
nature of the Soma Basin, including the presence of coal seams and surrounding rock
formations. The modeling incorporated a Klauder wavelet with a frequency range of
20–200 Hz, derived from the autocorrelation of the sweep signal generated by the
vibroseismic source employed during field data acquisition. Synthetic seismograms
were generated using this wavelet and subsequently compared with the field shot data
to validate the accuracy of the velocity model and the fidelity of the wavelet in
capturing the seismic response of the basin.A key focus of the study was the
investigation of the surface excitation mechanism of channel waves propagating
within the deep coal seam, designated KM2, in the Soma Basin. The phase and group
velocity dispersion characteristics of these channel waves were analyzed in detail. The
study demonstrated that the amplitudes of dispersion observed in phase velocity
spectra derived from models with vertically displaced coal seams increased
proportionally to the displacement, which ranged from 5 to 20 meters. The group
velocity spectra were computed using the Continuous Wavelet Transform (CWT)
method, with the highest resolution achieved by applying a 24-millisecond time
damping parameter. This parameter optimized the time-frequency localization of the
spectra, enhancing their interpretability.The group velocity spectrum derived from the
analysis of single-receiver data within the coal seam provided critical insights into the
thickness of the seam. This analysis demonstrated that, with knowledge of the distance
between the discontinuity displacing the coal seam and the receiver, the coal seam
thickness could be estimated accurately. Furthermore, the dispersion characteristics
observed in phase velocity spectra derived from multi-channel analyses of synthetic
seismograms were consistent with theoretical predictions, reinforcing the potential for
similar field applications to yield estimates of coal seam thickness. The analysis
revealed a high degree of consistency between the phase and group velocity spectra
derived from synthetic waveforms and the theoretical dispersion curves calculated for
the same velocity model. This agreement validates the modeling methodology and
highlights the robustness of the theoretical framework used to predict wave
propagation characteristics in complex subsurface environments. The alignment
underscores the reliability of the phase and group velocity spectra in capturing the
dispersive behavior of seismic waves within coal seams and surrounding geological
structures. These findings demonstrate the utility of advanced seismic modeling and
analysis techniques in characterizing coal-bearing formations and provide a foundation
for further refinement of exploration and imaging methodologies in the Soma Basin
and similar geological settings.
Continuous wellbore seismic records acquired from the Soma Basin were subjected to
analysis using the ambient noise seismic interferometry approach. This advanced
methodology enables the transformation of receivers into virtual shot points, allowing
for the generation of seismic data without relying on an active seismic source. In this
study, the vertical component receiver located at a depth of 605 meters was converted
into a virtual shot point, resulting in a zero-offset wellbore seismic virtual shot gather.
This innovative data acquisition approach eliminates the logistical and operational
challenges associated with traditional active seismic sources. A novel data processing
workflow, specifically developed as part of this study, was meticulously outlined and
applied to the dataset. Key steps in this workflow included the use of cross-correlation
and cross-coherence methods in conjunction with post-spectral normalization. The
analysis demonstrated that these methods produced consistent and convergent results,
thereby validating the robustness of the workflow. Furthermore, the application of
spectral normalization after stacking significantly enhanced the clarity and
detectability of body waves, emphasizing the importance of this step in improving the
interpretability of the results. An important observation was that the retention of
signals generated by the active seismic source within the raw dataset introduced
artifacts, leading to erroneous outcomes in the virtual shot gather. This finding
underscores the necessity of thorough preprocessing to ensure the integrity and
reliability of the interferometry-derived seismic results. The outputs from the ambient
noise seismic interferometry study were rigorously compared with synthetic
seismograms derived from numerical modeling and field data obtained from
vibroseismic sources. This comparative analysis provided an additional layer of
validation, confirming the consistency and accuracy of the interferometry-derived
results. These findings highlight the potential of ambient noise seismic interferometry
as a powerful tool for subsurface imaging, particularly in complex geological settings
like the Soma Basin.
As part of the thesis, a detailed attenuation analysis was conducted on seismic shot
data acquired from the field to refine the velocity model obtained from earlier
modeling studies. The refinement aimed to incorporate anelastic attenuation
characteristics, thereby enhancing the model's fidelity in representing real subsurface
conditions. To quantify the absorption properties of the medium, three computational
methodologies were employed: the spectral ratio method, the central frequency
method, and the peak frequency method. These methods were selected for their
widespread application and theoretical underpinnings in seismic attenuation studies.
The analysis began with the creation of a single-layer subsurface model characterized
by a uniform seismic quality factor (Q) across all frequencies. Synthetic seismograms
were generated for this model, and the Q values were computed using the three
approaches. Among these, the peak frequency method demonstrated superior accuracy
and reliability, providing the most consistent results. This preliminary step established
a baseline for the subsequent analysis of field data. For the field data, wellbore seismic
records obtained using an active seismic source were analyzed to determine the seismic
quality factor. The Soma Basin's geological complexity, characterized by thin
stratified layers with thicknesses below the resolution limit of the seismic source
wavelet, posed significant challenges. These conditions necessitated the computation
of an apparent Q value, which effectively represents the average attenuation
characteristics between receiver locations. The analysis yielded an apparent Q value
of 64, reflecting the influence of the basin's intricate layering on seismic wave
attenuation. The computed Q value was then integrated into the velocity model to
update it with anelastic attenuation properties. Synthetic seismograms generated using
this updated velocity model exhibited a high degree of convergence with the actual
field data, validating the effectiveness of the approach. This alignment underscores the
importance of incorporating attenuation characteristics into velocity models for more
accurate simulation of seismic wave propagation in complex geological settings. The
results highlight the critical role of attenuation analysis in seismic modeling and
imaging, particularly in environments like the Soma Basin, where thin-layered
stratigraphy and high attenuation significantly affect wave propagation. The findings
also emphasize the utility of combining computational methods to derive robust
attenuation parameters, ultimately contributing to more reliable seismic interpretations
and subsurface characterization.
In this study, the seismic velocity model of the Soma Basin, developed based on
extensive field and modeling data, was utilized to investigate multiple critical aspects
of seismic wave propagation and subsurface characterization. Specifically, the study
focused on three key areas: the formation mechanism of channel waves within coal
seams, the potential of seismic interferometry for seismic imaging, and the anelastic
attenuation properties of the Soma Basin. These investigations not only expanded the
understanding of seismic wave behavior in coal-bearing geological settings but also
provided new methodologies for subsurface exploration in complex stratified
environments. A significant contribution of this thesis is the presentation of the first
documented field example of surface-based excitation of channel waves within a coal
seam. This novel finding highlights the unique wave propagation characteristics
associated with coal seams and their response to seismic sources at the surface. The
identification and analysis of channel waves provide valuable insights into the
mechanical and elastic properties of coal seams, offering potential applications in coal
seam characterization and resource exploration. Furthermore, the study introduced the
application of ambient seismic noise interferometry in a coal basin context, marking a
pioneering advancement in this field. By utilizing continuous seismic records and
employing advanced data processing techniques, this approach enabled the extraction
of coherent seismic signals and the construction of virtual shot gathers without the
need for active seismic sources. This innovative method offers a cost-effective and
environmentally friendly alternative for seismic imaging in coal basins, where
traditional seismic acquisition can be challenging due to logistical and operational
constraints. The integration of these investigations with the developed seismic velocity
model provided a comprehensive framework for understanding wave propagation,
attenuation, and imaging in the Soma Basin. The findings underscore the potential of
combining advanced seismic methods with detailed velocity modeling to enhance
subsurface exploration, particularly in coal-bearing regions. This thesis represents a
significant step forward in the application of unconventional seismic methodologies
for resource exploration and geological research, setting a foundation for future studies
in similar geological settings.