Imaging enhancement of gas reservoir via full-waveform inversion imaging : Case study, Gas field = 완전파형역산 이미징을 활용한 가스층 이미징 향상 : 가스전 사례연구

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Seismic data play a crucial role in analyzing hydrocarbon distributions and characterizing reservoirs in the field of oil and gas exploration. While many advances have been made in conventional imaging techniques to obtain more accurate seismic data, there are still limitations. The main limitations of conventional imaging techniques include the inability to use the full wavefield, which means that only P-waves can be used, and the time-consuming sequential process of preprocessing, velocity model building, and migration. These limitations have increased the need for new approaches for more efficient and accurate data processing. To overcome these drawbacks of conventional imaging techniques, full-waveform inversion (FWI) and FWI imaging have been developed. FWI is a method that uses the full wavefield, including diving waves and multi-scattered waves, to predict subsurface properties. It uses an optimization method that iteratively updates the model to minimize the residual between the observed seismic data and the modeled seismic data. Moreover, FWI imaging is a technique that derives seismic images in a short time by taking the directional derivative of the FWI results. Compared with conventional imaging techniques, FWI imaging, since it is based on FWI, improves the signal-to-noise ratio and mitigates migration artifacts. In this study, a case study was conducted using 3D streamer data from a deepwater gas field to demonstrate the effectiveness of FWI imaging. As the gas field area contains scattered shallow gas, conventional imaging techniques have limitations in restoring the structure of subgas zones. To overcome this, FWI imaging was introduced, and to verify its effectiveness, reverse time migration (RTM), a representative example of conventional methods, was used for comparison. After the velocity model was updated by performing FWI up to 25 Hz, FWI imaging and RTM were applied based on the same velocity model, and the results were compared and analyzed. Compared with RTM, FWI imaging exhibited significant improvements in resolution and structural detail at various depths. Additionally, it improved the overall lateral resolution and structural continuity and effectively suppressed noise. In addition, FWI imaging does not require preprocessing or migration, which significantly reduces the processing time. These findings suggest that FWI imaging is a promising alternative to conventional methods because it provides high-quality subsurface information and reduces the processing time.

국문 초록 (Abstract)

인공지진파 자료는 석유 및 가스 탐사 분야에서 탄화수소 분포 분석, 저류층 특성화 등에 매우 중요한 역할을 한다. 더욱 정확한 인공지진파 자료를 얻기 위해 전통적인 전산처리 기술이 많이 발전해 왔으나, 여전히 한계는 존재한다. 전체파동장을 이용하지 못한다는 점, 전처리 및 속도 모델 구축, 구조보정과 같은 복잡한 일련의 과정으로 인해 긴 소요 시간이 필요하다는 점 등이 전통적 전산처리 기술의 대표적인 제약사항이다. 이러한 한계점들을 극복하기 위해 더 효율적이고 정확한 자료 처리를 위한 새로운 접근법의 필요성이 제기되어왔다. 전통적 전산처리 기술의 단점을 극복하고자 완전파형역산(full waveform inversion; FWI) 기술 및 완전파형역산 이미징(FWI imaging) 기술이 발전되어 왔다. 완전파형역산은 다이빙파, 다중산란파 등을 포함하는 전체 파동을 사용하여 지하의 특성을 예측하는 기술을 말한다. 취득된 파동장과 모델링한 파동장 사이의 잔차를 최소화하도록 반복적으로 파동장을 모델링하는 최적화 방식을 이용한다. 한편, 완전파형역산 이미징은 완전파형역산 결과에 방향성 미분을 취하여 인공지진파 자료를 단시간에 획득하는 기술이다. 완전파형역산을 기반으로 하므로 전체 파동장을 사용함으로써 전통적인 전산처리 기술 대비 신호 대 잡음 비율을 향상시키고 구조보정 잡음을 완화할 수 있다는 장점이 존재한다. 본 연구에서는 완전파형역산 이미징의 효과를 입증하고자 심해 가스전 지역의 3D 스트리머 자료를 이용하여 사례 연구를 진행하였다. 해당 심해 가스전 지역은 천부 가스가 산재해 있어, 전통적인 전산처리 기술로는 심부 지역의 구조를 복원하는 데에 제한적이었다. 이를 극복하기 위한 방안으로서 완전파형역산 이미징을 도입하였으며 그 효과성을 검증하기 위해 전통적인 방식의 대표적인 예로서 역시간 구조보정(reverse time migration; RTM)을 비교 대상으로 사용하였다. 연구에서는 25Hz까지 완전파형역산을 수행하여 속도모델을 업데이트한 후, 동일한 속도모델을 기반으로 완전파형역산 이미징과 역시간 구조보정을 각각 적용하고 그 결과를 비교 분석하였다. 완전파형역산 이미징은 역시간 구조보정 결과 대비 다양한 심도에서의 해상도 및 세부 구조의 현격한 향상을 보여주었다. 또한 전반적인 수평 해상도 및 구조 연장성을 향상시키고, 잡음을 효과적으로 완화하는 것을 확인할 수 있었다. 더욱이 완전파형역산 이미징은 전처리나 구조복원이 필요하지 않다는 점에서 작업 소요 시간을 크게 단축할 수 있었다. 이러한 연구 결과를 통해 완전파형역산 이미징은 전통적인 전산처리 방식 대비 고해상도의 지층 구조 정보를 도출하고, 소요 시간을 단축함으로써 기존 전산처리 기술의 유망한 대안으로 제시될 수 있음을 확인하였다.

목차 (Table of Contents)

• Abstract i
• Contents iv
• List of Figures vi
• 1 Introduction 1
• 1.1 Background of study 1
• 1.2 Research objective 6
• 2 Theory & Method 9
• 2.1 Full-waveform inversion 10
• 2.1.1 Acoustic wave equation 10
• 2.1.2 Acoustic FWI 11
• 2.1.3 Optimization 16
• 2.2 Full-waveform inversion imaging 18
• 2.3 Reverse time migration 20
• 3 Field data examples 26
• 3.1 Geological settings 27
• 3.2 Dataset 29
• 3.3 Inversion parameters and strategies 30
• 3.4 Inversion results 33
• 4 Conclusions 43
• Bibliography 45
• Appendix A Adjoint state method 48
• Acknowledgments 53
• 초 록 55