감쇠 최소자승법을 이용한 지표 탄성파 탐사자료의 전파형 역산

변중무,주용환,설순지 한국자원공학회 2009 한국자원공학회지 Vol.46 No.3

The gradient method has been used for full waveform inversion more often than the least-squares method that requires the huge computational memory in solving matrix equation. However, since misfits of the gradient method show an oscillating tendency and updated velocities converge to true values very slowly, the gradient method requires many iterations. In this study, we have presented an inversion algorithm to find the subsurface velocity structure using the damped least-squares method in the frequency domain. To verify our waveform inversion scheme, we applied the algorithm to the synthetic data, and found that comparatively correct solutions were acquired even with a few iterations. To reduce computer memory requirements and computing time, we utilized inversion blocks consisting of 2×2 elements, which are larger than that of forward modelling, and parallel processing technique based on MPI (Message Passing Interface). For investigating the effects of the initial model on inversion results, we compared and analyzed inversion results for two initial velocity models. One is a gradually increasing velocity model and the other is a smoothed horizontally layered velocity model. The latter was constructed based on the assumption that we have horizontally layered velocity information from zero-offset VSP or well logging data. The inversion result obtained by using the smoothed horizontally layered velocity model shows interfaces of subsurface velocity structures more clearly and provides more accurate velocity values than those using the gradually increasing velocity model. In addition, since the damped least-squares method calculates the sensitivity matrix unlike the steepest-descent method, we can identify the influence of frequency range on inversion results by comparing the sensitivity matrices for a couple of frequencies. 전파형을 이용한 역산에서는 행렬식의 계산을 위해 대용량의 메모리를 요구하는 최소자승법보다는 대부분 경사법이 사용되어왔다. 하지만 경사법은 잔차가 진동하는 경향을 보이며 수렴 속도가 느려 상대적으로 많은 연산횟수를 필요로 하는 단점을 가진다. 본 연구에서는 주파수 영역에서 감쇠 최소자승법을 사용하여 지하의 속도모델을 효과적으로 찾아가는 역산 알고리듬을 구현하고, 이 알고리듬의 타당성 및 적용성 검토를 위해 수치모형 실험을 수행하여 적은 반복 연산 횟수에도 비교적 정확한 해를 찾아가는 것을 확인하였다. 감쇠 최소자승법의 메모리 문제를 해결하기 위하여 모델링에 이용된 셀의 2 × 2 크기로 역산블록을 설정하고 계산시간의 단축을 위하여 병렬처리 프로그램을 이용하였다. 또한 초기모델의 선정이 역산에 미치는 영향을 확인하기 위해 심도에 따라 속도가 증가하는 초기모델과 제로-오프셋 VSP나 음파검층 자료가 있을 때 이로부터 획득한 구간속도를 평활화한 초기모델을 사용하여 역산한 결과를 비교·분석하였다. 그 결과, VSP 자료나 음파검층 등의 자료를 초기속도모델로 사용한 경우 지하 속도구조의 층 경계들을 잘 영상화하고 보다 정확한 속도 정보를 제공함을 확인할 수 있었다. 또한 감쇠 최소자승법의 경우 최대경사법과 달리 민감도 행렬을 계산하기 때문에 이러한 정보를 이용하여 주파수에 따른 영향범위를 확인할 수 있다.

자원개발 인력양성을 위한 시스템 개발

변중무,이철규,김대형,김현태,배위섭,백환조,전석원,최종근 한국지구시스템공학회 2008 한국지구시스템 공학회지 Vol.45 No.2

고유가와 자원가격의 급상승 시대를 맞이하여 에너지·자원의 대부분을 수입에 의존하고 있는 우리나라는 안정적 에너지·자원의 확보가 매우 중요하다. 하지만 국내의 해외에너지·자원개발 분야의 가용 전문기술인력은 지난 20년간 최소수준의 교육투자 및 R&D 투자로 인하여 수요에 비해 턱없이 부족한 실정이다. 이에 정부에서는 몇 차례에 걸친 국가에너지자문회의를 통해 자원개발 전문인력 양성을 위한 단기 및 중·장기안을 마련하였다. 본 논문에서는 자원개발 전문인력 양성을 위하여 이미 실행 중인 자원개발아카데미의 현황을 살펴보고 자원 개발특성화대학 선정제도 도입을 위한 세부추진방안을 기획하며, 자원개발전문대학원 수립 방안 및 인력양성 인프라 구축을 위한 세부 실행 방안을 검토하였다.

극이방성 매질의 이방성 특성이 전파형음파검층에 미치는 영향

변중무 한국자원공학회 2008 한국자원공학회지 Vol.45 No.6

Numerical experiments on the responses of full waveform acoustic logging in multi-layered anisotropic medium were performed with different anisotropic parameters and the results were analyzed. For the source of the logging tool, monopole and dipole source, which are mainly used in domestic logging survey, were considered. The responses of full waveform acoustic logging were calculated by discrete wavenumber method, and features of the responses were examined with changing the values of anisotropy parameters, ε, , and δ. In the case of the monopole source, the changes in anisotropy parameters have an effect on only the dispersion curve of Stoneley wave, not the velocities of P and S waves refracted at the borehole wall. The dispersion curve of Stoneley wave is most influenced by an anisotropy parameter, . For a dipole-source tool, the changes in the values of anisotropy parameters affect the dispersion curve of flexural wave similarly to the case of the monopole-source tool. However, for all cases, flexural wave propagates with the S wave velocity of the medium around the cut-off frequency.

천부 불균질대에 의한 레일리파 전파 및 분산특성 고찰

변중무,이상민,박권규 한국지구물리탐사학회 2006 지구물리와 물리탐사 Vol.9 No.2

Estimation of Q from Zero-offset VSP Data in Gas Hydrate-bearing Zone

변중무,유동근,이호영 한국자원공학회 2011 Geosystem engineering Vol.14 No.2

Q-factor (or Q) that quantifies the attenuation, the intrinsic property of the material, is a very important required factor in extracting useful subsurface material properties such as lithological information, porosity, permeability, viscosity,and the degree of the saturation from the seismic data. When seismic energy propagates through the gas hydrate-bearing zone and a free gas layer below it, the considerable attenuation occurs and affects the amplitude and wavelet shape of recorded seismic data. Thus Q- factor extracted from seismic data can be used to locate the gas hydrate bearing zone and estimate its reserves. The spectral-ratio method has been widely used in computing the frequency-independent Q’s from the zero-offset VSP data because of its ease and fastness. We developed a module of the spectral ratio method, and applied it to the synthetic zero-offset VSP data set and field zero-offset VSP data set. The field data were acquired at Mallik 3L-38 gas hydrate research well in Canada. The Q-factors calculated from the synthetic zero-offset VSP data using the spectral ratio method approached closer to the true values for the medium with low Q-factor than high Q-factor. The changes in the Q-factors extracted from the Mallik zero-offset data using the spectral ratio method agreed well with the boundaries of the layers, including gas hydrate zone, depicted in a reflection image.

자원개발 인력양성을 위한 시스템 개발

변중무,이철규,김대형,김현태,배위섭,백환조,전석원,최종근 한국자원공학회 2008 한국자원공학회지 Vol.45 No.2

During the era of high price of oil and mineral, stable security of energy and mineral resources is very important for Korea, which imports most energy and mineral resources from foreign country. However, domestic human resources in the international energymineral resource development are significantly insufficient to meet the demand because of the least investment in the education and R&D for the past 20 years. Thus, the government made short-, midterm-, and long-term plans for human resources cultivation in oil & mineral development through several meetings of the advisory council on energy. In this study, the status of the Academy of resource development, which is already operated for cultivating human resources in oil and mineral development, is examined. In addition, we present the detailed plan for launching the specialized university for resource development and suggest the establishment of the special graduate program for resource development and the infrastructure for cultivating human resources in oil and mineral development.

송신원의 진폭 불균형이 다극자 전파형 음파검층에 미치는 영향에 대한 수치 모형 연구

변중무 한국자원공학회 2005 한국자원공학회지 Vol.42 No.2

To measure shear velocity of slow formation, we need multipole sources for acoustic logging. Multipole sources can be considered that they are constructed of monopoles with appropriate sign combination. In this study, the effects of mismatched multipole sources were investigated. To simulate mismatched dipole and quadrupole sources, we made the amplitude of one of monopoles smaller than those of the other monopoles. The dipole and quadrupole component were obtained with four monopole receiver array system by subtracting or adding appropriate responses. Mismatched dipole source excites nondipole modes in addition to the flexural mode. The strongest of these is the Stoneley mode, whose amplitude increases with increasing mismatch. Similarly, mismatched quadrupole sources produce nonquadrupole modes such as the Stoneley mode in addition to the screw mode. The amplitude of the Stoneley mode increases with mismatch. If we designate responses at receiver arrays as A, B, C, and D, we can obtain the flexural mode by A-C and the screw mode by A-B+C-D processing, respectively. But, in addition to a mismatched dipole source, when the receivers are mismatched or if the tool is off-centered, the Stoneley mode remains even after A-C processing. 느린 지층(slow formation)의 경우 음파검층을 통해 매질의 S파 속도를 측정하기 위해서는 다극자 송신원이 필요하다. 이 때 다극자 송신원은 적당한 부호들의 조합을 가진 단극들로 구성할 수 있다. 본 연구에서는 다극자 전파형 음파검층시 다극자 송신원을 구성하고 있는 단극들의 진폭 불균형이 검층 자료에 미치는 영향을 수치 모형 실험을 이용하여 조사하였다. 송신원의 진폭 불균형은 다극자 송신원을 구성하고 있는 단극들 중 하나의 진폭을 다른 것들에 비해 작게함으로써 구현하였다. 쌍극자와 사극자 성분들은 4개의 단극 수신기 배열들을 이용하여 이들 배열들의 반응을 서로 빼거나 더함으로써 얻었다. 진폭이 불균형한 쌍극자 송신원의 경우 굽힘 모드(flexural mode) 이외의 다른 모드들이 생성된다. 이 때 스톤리(Stoneley) 모드가 가장 강하게 나타나며 불균형의 정도가 심할수록 그 진폭이 커지게 된다. 쌍극자 송신원의 경우와 유사하게, 진폭 불균형 사극자의 경우 스톤리 모드와 같은 사극자 성분 이외의 성분들도 같이 생성되며 스톤리 모드의 진폭은 불균형의 정도가 심해질수록 진폭이 커진다. 하지만, 네개의 수신기 배열에서의 수신된 반응을 각각 A, B, C, D라고 했을 때, 검층기가 시추공 중심에 위치하는 한, 쌍극자의 경우는 A-C, 사극자의 경우는 A-B+C-D 자료처리를 통해 스톤리 모드를 제거할 수 있다. 그러나, 만약 검층기가 시추공 중심에서 벗어나 위치하거나 수신기 배열의 수신 정도가 같지 않을 경우에는 A-C 자료처리 과정 후에도 여전히 스톤리 모드가 남아있다.

다극자 송신원들 사이의 불일치가 LWD 자료에 미치는 영향

변중무 ( Joong Moo Byun ),주용환 ( Yong Hwan Joo ) 한국지구물리탐사학회 2009 지구물리와 물리탐사 Vol.12 No.1

2차원 중합전 일반화된-막 구조보정

변중무 ( Joong Moo Byun ),설순지 ( Soon Jee Seol ),송호철 ( Ho Cheol Song ) 한국지구물리탐사학회 2010 지구물리와 물리탐사 Vol.13 No.4

위상막 구조보정과 split-step Fourier 구조보정은 주파수-파수, 주파수-공간 영역에서 단방향 파동방정식을 이용하여 빠른 계산 속도로 수평적 속도변화를 고려할 수 있는 구조보정이다 일반화된-막(generalized-screen) 구조보정은 주파수-파수영역에서 수직전파를 가정하는 위의 두 구조보정파는 달리 수직전파를 가정하지 않고, 지수함수의 무한급수 전개를 이용한다. 또한 수직느리기항의 테일러 급수전개를 일반화하여 고차항을 추가함으로써 급격한 속도변화를 갖는 지하구조에서 넓은 각을로 전파하는 파동장에 대한 정확도를 향상시켰다. 이 논문은 다양한 경사와 급격한 속도변화를 포함하는 복잡한 지하구조를 효율적으로 보다 정확하게 영상화하기 위하여 2차원 일반화된 막 구조보정에 대하여 연구하였다. 일정한 미소변량(constant perturbation)을 갖는 매질과 SEGfEAGE 암염돔을 모사한 모텔에 대하여 일반화된-막 전파자와 위상막 전파자의 전파된 파동장을 비교한 결과, 일반화된-막 전파자가 파동장의 넓은각 전파에 대해 위상막 전파자보다 높은 정확도를 보였다. 또한 일반화된-막 전파자의 차수를 증가시킬수록 넓은 각으로 전파하는 파동장의 정확 도가 향상되었다. 콘 수평적 속도변화와 급경사를 갖는 모델과 SEGfEAGE 암염돔 합성 탄성파탐사 자료에 대하여 일반 호}된-악 구조보정과 위상막 구조보정을 적용한 결과, 일반화된-막 구조보정이 속도변화가 크고 급격한 경사를 갖는 반사면을 보다 정확한 위치에 뚜렷하게 영상화하였다. The phase-screen and the split-step Fourier migrations, which are implemented in both the frequencywavenumber and frequency-space domains by using one-way scalar wave equation, allow imaging in laterally heterogeneous media with less computing time and efficiency. The generalized-screen migration employs the series expansion of the exponential, unlike the phase-screen and the split-step Fourier migrations which assume the vertical propagation in frequency-wavenumber domain. In addition, since the generalized-screen migration generalizes the series expansion of the vertical slowness, it can utilize higher-order terms of that series expansion. As a result, the generalized-screen migration has higher accuracy in computing the propagation with wide angles than the phase-screen and split-step Fourier migrations for media with large and rapid lateral velocity variations. In this study, we developed a 2D prestack generalized-screen migration module for imaging a complex subsurface efficiently, which includes various dips and large lateral variations. We compared the generalized-screen propagator with the phase-screen propagator for a constant perturbation model and the SEG/EAGE salt dome model. The generalized-screen propagator was more accurate than the phase-screen propagator in computing the propagation with wide angles. Furthermore, the more the higher-order terms were added for the generalized-screen propagator, the more the accuracy was increased. Finally, we compared the results of the generalized- screen migration with those of the phase-screen migration for a model which included various dips and large lateral velocity variations and the synthetic data of the SEG/EAGE salt dome model. In the generalized-screen migration section, reflectors were positioned more accurately than in the phase-screen migration section.

다성분 탄성파탐사자료에서 회전 변환과 중합을 이용한 효과적인 P파 반사파와 PS파 반사파의 분리

정수철 ( Soo Cheol Jeong ),변중무 ( Joong Moo Byun ),설순지 ( Soon Jee Seol ) 한국지구물리·물리탐사학회 2013 지구물리와 물리탐사 Vol.16 No.1

다성분 탄성파탐사자료를 이용할 경우, P파 뿐만 아니라 PS파를 함께 이용함으로써 공극유체의 판별, 암상의 특성규명, 고해상도의 영상화 등에 유리한 장점들이 있다. 하지만 다성분 탄성파탐사를 통하여 획득한 수직 성분 및 수평성분 자료에는 각기 다른 특성을 가지는 P파와 PS파가 함께 존재한다. 따라서 다성분 탄성파탐사자료를 이용할 때 P파와 PS파를 분리하는 전처리 과정이 필수적이다. 이 연구에서는, 기존의 정수철, 변중무(2011)가 제안하였던 한 개의 기준 깊이를 이용하여 반사각의 근사값을 계산하고 이를 회전 변환하여 P파와 PS파를 분리하는 방법을 분석한 결과, 다층 구조에서 획득 된 다수의 반사파가 존재하는 자료에의 적용시 한계가 있음을 확인하였다. 이를 개선하기 위하여, 여러 개의 기준 깊이를 이용하여 반사각의 근사값을 계산하고 이를 회전 변환을 한 뒤 중합을 하는 개선된 P파와 PS파의 분리 방법을 제안하였다. 마지막으로 이 연구에서 제안하는 방법을 수평 다층 구조의 모델, 단층이 존재하는 모델, Marmousi-2 모델 등에서 획득 된 합성탄성파탐사자료에 적용하여 검증하였다. 그 결과, 급경사 지역이 아닌 완만한 경사의 여러 층이 존재하는 구조에서의 다성분 탄성파탐사자료의 효과적인 파 분리가 가능하였다. Multicomponent seismic data including both P- and PS-waves have advantages in discriminating the type of pore fluid, characterizing the lithologic attributes and producing the high resolution image. However, multicomponent seismic data recorded at the vertical and horizontal component receivers contain both P- and PS-waves which have different features, simultaneously. Therefore, the wavefield separation of P- and PS-waves as a preprocessing is inevitable in order to use the multicomponent seismic data successfully. In this study, we analyzed the previous study of the wavefield separation method suggested by Jeong and Byun in 2011, where the approximated reflection angle calculated only from one refernce depth is used in rotation transform, and showed its limitation for seismic data containing various reflected events from the multi-layered structure. In order to overcome its limitation, we suggested a new effective wavefield separation method of P- and PS-waves. In new method, we calculate the reflection angles with various reference depths and apply rotation transforms to the data with those reflection angles. Then we stack all results to obtain the final separated data. To verify our new method, we applied it to the synthetic data sets from a multi-layered model, a fault model, and the Marmousi-2 model. The results showed that the proposed method separated successfully P- and PSreflection events from the multicomponent data from mild dipping layered model as long as the dip is not too steep.