가스 하이드레이트 탄성파 자료 복소분석 해석

장성형,류병재,서상용 한국자원공학회 2005 한국자원공학회지 Vol.42 No.3

In order to study gas hydrate, possible new energy resources, KIGAM has performed seismic reflection survey over the East sea since 1999. The evidence for the existence of gas hydrate in seismic reflection data is the BSR (bottom simulated reflection) which parallels the sea bottom. The BSR has high amplitude reflections, the amplitude above the BSR increase and the interval velocity below the BSR decrease. However, since high amplitude reflections are also shown in free gas and sediments bearing silica, we need to find out the difference from these. In this study we performed conventional data processing for gas hydrate data and seismic complex analysis which has been using for detecting gas layers. We made reflection strength profile, its first and second-derivative profiles, instantaneous phase profile and instantaneous frequency profile. The reflection strength profile shows instantaneous amplitude difference at the strong BSR layer (SP 2100-2600, TWT 3.4 s). In the instantaneous phase profile, phase changes around the possible BSR layer, but we could not find the cross-cutting at the overlying and underlying of a gas bearing zone, which would be parallel reflection to the sea bottom. For the instantaneous frequency profile, frequency changed from high to low around the BSR layer. 새로운 에너지 자원으로 활용 가능성을 포함하고 있는 가스 하이드레이트를 조사하기 위해 한국지질자원연구원에서는 1999년도부터 동해일원에서 탄성파탐사를 실시하고 있다. 탄성파 반사자료로부터 가스 하이드레이트 부존여부를 확인하는 방법은 해저면과 평행하면서 위상이 반대로 나타나는 고진폭 반사파인 BSR(bottom simulated reflection)과 BSR 상부에서의 진폭감소, 하부에서 진폭증가와 구간속도 감소 등을 들 수 있다. 그러나 고진폭 반사파는 프리가스(free gas) 또는 실리카(silica)를 포함하는 퇴적층에서도 발생하므로 이를 구별할 수 있는 방법이 필요하다. 본 연구에서는 가스 하이드레이트 탐사자료에 대한 일반적인 자료처리와 함께 가스층 존재 유무를 확인하는 방법으로 많이 이용되는 탄성파 복소분석법을 적용하였다. 가스 하이드레이트 부존 유망지역에 대해 순간진폭, 순간진폭에 대한 1차 및 2차 미분, 순간위상, 순간주파수 단면도를 제작하여 중합단면도와 비교하였으며 그 결과 순간진폭단면도의 경우 강한 BSR이 나타나는 지층경계면(음원번호 2100-2600)에서 순간진폭변화 차이를 강하게 보였다. 순간위상단면도의 경우 BSR 부존 가능지역에서 위상변화는 보이고 있으나 고진폭 반사층의 상ㆍ하부에서 반사파의 연속성을 끊는 반사의 존재는 확인되지 않았다. 순간주파수 단면도의 경우 BSR 지역에서 고 주파수에서 저 주파수로 변화함을 확인할 수 있었다.

VSP 모델링 및 선 중합 깊이영역 구조보정

장성형,서상용,고진석 한국자원공학회 2005 한국자원공학회지 Vol.42 No.6

For imaging the complex subsurface such as salt dome, faults, and folds, we perform prestack migration with surface seismic data or sometimes VSP (Vertical Seismic Profiling) data. The VSP data includes wavefield that can measure directly physical properites between surface and geological interfaces. The VSP is used for detecting dip, anisotropy, and reflection amplitude or waveform with respect to incidence angles. Here we applied forward modeling and prestack migration which are used for surface seismic data to VSP. We made synthetic VSP seismic data using the 8th order finite difference method for the acoustic wave equation and did VSP prestack migration. The synthetic VSP data to a simple three horizontally layered geological model showed the direct waves, reflection and refraction, which includes down-going and up-going waves with different direction. These were similar to the typical VSP data. Usually VSP prestack time migration needs filtering in order to separate up-going and down-going wave, but we did VSP prestack depth migration using inner product of back-propargated wavefield and the virtual source without filtering. The back-propagated wavefield was calculated from observed data and the virtual source was from the forward modeling using the observed data as a source term. The result of numerical modeling for the salt flank model shows that the upper horizontal and dipping layer were properly imaged. The better image of upper horizon and dipping layers than the lower layers indicates that seismic energy was concentrated on this part. 암염돔, 단층, 습곡 등 복잡한 층서구조를 영상화하기 위해서는 지표면 탄성파 자료에 대해 선 중합 깊이영역 구조보정(prestack depth migration)이 필요하며 또한 탄성파 수직탐사(VSP)를 이용하기도 한다. 탄성파 수직탐사는 지표면과 지층경계면 사이에서 직접 물성을 측정할 수 있는 파동장을 기록하는 방법으로 지층경사, 이방성, 입사각에 따른 반사계수 변화, 파형변화 등 파악하는데 적용된다. 여기에서는 지표면 탄성파 자료에 적용되는 모델링과 구조보정법을 VSP자료에 적용하는 연구를 수행하였다. 인공합성 VSP 모델링에는 8차 근사 파동방정식의 유한차분법을 이용하였고, 지층구조 영상화는 가상음원과 역전파 파동장의 내적을 이용하여 실시하였다. 단순 수평 3층 모델에 대한 VSP 인공합성자료를 살펴 볼 때 직접파, 굴절파, 반사파 등이 모두 포함되어 있고 하향파, 상향파가 서로 반대 경사를 가지면서 나타나는 전형적인 VSP 자료 특성을 보여주고 있어 모델링방법이 적절하였음을 확인하였다. VSP 선 중합 깊이영역 구조보정은 상향파와 하향파를 분리하는 전 처리 과정없이 역전파 시킨 관측자료와 관측자료를 음원으로 이용하여 구한 가상음원과의 내적으로 영상을 구하였으며 암염돔 측면 모형실험 결과 상부 수평층과 경사층 영상화가 적절하게 이루어졌음을 알 수 있었다. 특히 상부 수평층과 경사층이 하부층에 비해 뚜렸하게 나타나는 것은 이 부분에 탄성파 에너지가 집중되었음을 보여준다.

셰일가스 탄성파자료로부터 수평응력 차 비 구하는 공정도 연구

장성형 한국자원공학회 2015 한국자원공학회지 Vol.52 No.2

Horizontal drilling and hydraulic fracturing which are the key technology in unconventional shale gas development are applied to the sweet spot where Young's modulus is high, Poisson's ratio is low, and differential horizontal stress ratio(DHSR) is low. Petrophysical parameters such as velocities, Young's modulus, Poisson's ratio, and anisotropic coefficients from seismic data are important for developing shale gas. It is also necessary for calculating DHSR which is a function of maximum horizontal stress and minimum horizontal stress. DHSR consists of normal compliance matrix which are function of weakness and Thomsen's anisotropic parameters. In this study, I suggest a flow for calculating DHSR from seismic data and verify it through synthetic data. Thomsen's parameter  was decided by nonhyperbolic semblance analysis and it showed that  is getting more sensitivity to NMO velocity according to the higher anisotropic characteristics. When we apply the nonhyperbolic semblance analysis to field data set, we need to analyze it carefully. 비전통 에너지자원인 셰일가스 개발에서 필수기술에 해당하는 수평시추와 수압파쇄는 셰일가스 집중구간에서 포아송비가 낮고 영률이 높은 지역, 수평응력차비(DHSR)가 낮은 구간에서 적용된다. 탄성파자료로부터 구할 수 있는 속도, 영률, 포아송비, 이방성계수 등 암석역학적 매개변수는 셰일가스 개발에 중요한 역할을하며 수평방향 최대 및 최소 압력 함수로 표현되는 DHSR 계산에 필수적인 변수이다. DHSR은 균열매개변수함수로 이루어진 수직방향 컴플라이언스 계수가 필요하며 균열매개변수는 톰슨 이방성변수로 표현할 수 있다. 본 연구에서는 탄성파자료로부터 DHSR을 구하는 공정도를 제시하고 수치모형실험을 통해 검증하였다. 톰슨이방성변수 는 비쌍곡선 유사도 등고선을 이용하여 구하였으며 이방성 매질 특성이 커질수록 는 NMO속도에대한 민감도가 커져 현장자료에 적용하기 위해서는 철저한 분석이 필요하다.

VTI 媒質에서 SSF 법을 이용한 重合前 深度 構造補正

장성형,서상용,고진석,楊東祐 한국자원공학회 2004 한국자원공학회지 Vol.41 No.2

지층구조는 일반적으로 이방성 특성을 포함하고 있으므로 이방성 특성이 큰 지역에서 탄성파 반사자료에 대한 구조보정을 실시 할 때 이방성 변수를 고려하지 않을 경우 실제와 다른 지층경계면이 영상화되기 마련이다. 여기에서는 VTI 매질에서 P-P 자료에 대한 중합전 심도 구조보정을 split-step-Fourier(SSF)법을 이용하여 실시한다. SSF법은 파동외삽을 이용하는 구조보정방법 중 하나로, 등방성 매질 탄성파 반사자료에 대한 구조보정에 이용되어 왔다. 이방성 매질에 적용하기 위해서는 입사각에 종속되는 속도함수가 결정되고 이로부터 수직파수 (vertical wave number)를 결정해야 한다. 여기에서는 Christoffel 방정식의 해석 해로부터 직접 수직파수를 결정하는 방법을 이용하여 임의 크기의 이방성 변수를 적용할 수 있게 하였다. 수치모형실험결과 수직방향으로 변하는 속도모델의 경우 PSPI(Phase Shift Plus Interpolation)와 유사한 결과를 얻었으며 컴퓨터 계산시간은 약 7배 정도 줄일 수 있었다. In large scale vertical transversely isotropic media(VTI), if we do migration for seismic reflection data without considering anisotropic parameters, we'll have distorted migration images. In this study, we suggest using the split-step-Fourier method(SSF) for prestack depth migration of P-P data gathered in transversely isotropic media with a vertical symmetric axis. The SSF method, which is the one of the wavefield-extrapolation migration methods, is usually used for migratin of seismic reflection data in isotropic media. In order to apply the SSF to anisotropic case, we should define velocities that depend on incidence angle and compute the vertical wavenumber. In this study, we directly determined vertical wave number from analytic solution of the Christoffel equation. From numerical examples in anisotropic media, we could know that the SSF gives subsurface images comparable to images obtained by phase-shift-plus-interpolation(PSPI) and reduces the computing time.

탄성파 간섭파를 이용한 음원파형 예측

장성형,김영완,고진석,서상용 한국자원공학회 2009 한국자원공학회지 Vol.46 No.1

The source signature of seismic reflection data is an important tool for correcting reflector position, amplitude estimation, deconvolution, multiple attenuation, comparing reflection data to well data, seismic modeling, and inversion. There are two methods to estimate the source signature. One is to measure the source signature directly in the field and the other is to estimate the source signature from reflection data. The conventional method for estimating the source signature from the reflection data, such as deconvolution, assumes the source signature to be minimum phase and the earth responses to be white noise and most of signals except for the primary reflection to be regarded as noise. In this study, we conducted the source signature estimation based on the seismic interferometry, which can use all recorded signals without any assumptions. Seismic interferometry is used to calculate Green’s function using the recorded signals at two receivers without geological parameters, such as velocity, reflectors, minimum phase assumption, etc. The noise recorded after the primary reflection can be used to get geological information. In this study, we conducted the source signature estimation using the virtual source gather and surface reflection data, which the virtual source gather is the result of summation after crosscorrelation of the records from the receiver corresponding to a virtual source and the records from the other receiver. The numerical model test shows that the wavefield which is calculated by the virtual source signature is the similar to that recorded at surface, and the source signature obtained with using the virtual source gather and the true reflection data is similar to the input source signature. 탄성파 반사자료의 음원파형은 반사경계면 또는 반사파 진폭을 예측하거나 곱풀기(deconvolution), 다중반사파 제거, 반사자료와 시추공 자료 비교, 모델링과 역산 등에 이용된다. 탄성파 음원파형을 구하는 방법으로는 현장에서 음원파형을 측정하여 직접 구하는 방법과 탄성파 반사파자료에서 간접적으로 구하는 방법이 있다. 반사자료에서 음원파형을 구하는 전통적인 곱풀기 방법은 최소위상, 백색잡음 등 가정이 필요하고 주 반사파를 제외한 탄성파 이벤트는 잡음으로 간주하여 실시된다. 본 연구에서는 위와 같은 전제조건과 무관하며 수진기에 기록된 모든 탄성파 이벤트를 이용할 수 있는 탄성파 간섭파이론을 이용하여 음원파형을 구하는 알고리즘을 개발하였다. 탄성파 간섭파이론은 두 수진기에 기록된 탄성파 이벤트로부터 속도, 밀도, 지층경계면 등 지층모델에 대한 매개변수 없이 그린함수를 구하는 것으로 잡음으로 여겨지는 주 반사파 이후 기록된 탄성파 이벤트까지 이용하여 지층정보를 알아내는데 활용된다. 여기에서 탄성파 간섭파를 이용하여 음원파형을 구하는 방법으로 가상음원과 수진기에 기록된 탄성파 이벤트의 상호상관과 중합으로 가상음원 모음도를 구하여 지표면 탄성파 반사자료와 관계로부터 음원파형을 구하고자 하였으며, 단순 수평 2층 구조에 대한 수치 모형실험 결과 가상음원으로부터 구한 파동장과 실제 지표면에서 기록된 파동장의 반사신호가 거의 일치함을 보여주었다. 또한 가상음원 모음도로부터 구한 음원파형은 실제 수치모델링시 적용한 음원파형과 유사하게 나타남을 알 수 있었다.

MPI_PSPI에 의한 중합 전 깊이영역 구조보정

장성형,서상용,유동근 한국자원공학회 2006 한국자원공학회지 Vol.43 No.6

탄성파 중합 전 구조보정은 단층, 습곡, 암염 등 복잡한 층서지역 지층구조파악에 이용되지만 많은 컴퓨터 계산 량과 자료 입출력을 요구한다. 시간, 속도, 음원, 수진기, 주파수, 파수들의 함수로 이루어진 탄성파 문제는 본질적으로 병렬구조 특성을 지니고 있다. Phase Shift Plus Interpolation (PSPI)법은 적은 컴퓨터 계산 량과 효율성으로 중합 전 또는 중합 후 구조보정에 많이 이용되고 있으며, 주파수 영역에서 구조적으로 병렬화 적용이 용이한 특성을 지니고 있다. 따라서 본 연구에서는 Message Passing Interface_Local Area Multicomputer (MPI_LAM) 라이브러리를 이용하여 병렬코드 MPI_PSPI를 개발하고 인공합성모델에 대해 깊이영역 구조보정을 적용하였다. MPI_PSPI 구조보정을 실시할 때 하향 외삽 파동장은 모든 계산노드에 분산하여 동시에 수행하는 도메인 분해 방법을 적용하였다. 단순 원형지층모형에 대한 수치 모형실험 결과 하나의 음원 모음도에서는 일반 PSPI 알고리즘 보다 병렬화된 MPI_PSPI 알고리즘이 약 2배 정도, 59개음원모음도에서의 경우 약 50 배 정도 계산시간이 단축되어, 음원 모음도가 많을수록 MPI_PSPI 가 효과적이라 할 수 있다. 프로세서 증가에 따른 MPI_PSPI 계산시간 변화는 4개를 이용할 때보다 8개를 이용할 때 계산시간 감소율이 최대를 나타냈으며 그 이후 점진적 프로세서 증가에도 불구하고 계산시간 감소율은 크지 않았다. 음원 모음도에 대한 구조보정 결과인 공통 영상 단면도는 에너지 전달이 집중된 곳에 지층경계면이 뚜렷이 나타남을 보여주므로 관심 대상지역에 에너지를 적절하게 보낼 수 있도록 자료취득 변수를 결정해야함을 알 수 있다. Prestack migration is widely applied to imaging subsurface for complex stratigraphic area such as faults, folds and salt domes, but heavy computing time and data IO (Input & Output) are indispensable. Seismic problems consist of function of time, velocity, source, receiver, frequency, and wavenumber. These have intrinsically parallel characteristic. Phase-shift-plus-interpolation (PSPI) is widely used for post- and pre-stack migration with less computing time and efficiency. The PSPI has intrinsically parallel in frequency domain, too. In this study, we have developed a MPI_PSPI code to paralleize serial PSPI with Massage Passing Interface_Local Area Multicomputer (MPI_LAM), and then we have applied it to synthetic seismic data for a simple circular model. When we conducted the MPI_PSPI, extrapolated wavefields were calculated simultaneously as distributed to every computing node by domain decomposition method. The numerical model test shows that the computing time with the parallelized MPI_PSPI code for a single shot gather was about 2 times faster than serial PSPI code and for 59 shot gathers it was 50 timtes faster. This means that the more we have shot gathers, the MPI_PSPI is more efficiency. For variance of computing time of MPI_PSPI according to increasing processors, rate of decreasing computing time is high when processors were used 8. Though we used more processors than 8, the rate of decreasing computing time was insignificant. Through the common image gathers, subsurface images were better at the energy concentration area. This would be helpful for determining acuqusition parameters.

동해 가스 하이드레이트 탄성파자료의 중합전 심도 구조보정

장성형,서상용,고진석,Jang, Seong-Hyung,Suh, Sang-Yong,Go, Gin-Seok 대한자원환경지질학회 2006 자원환경지질 Vol.39 No.6

한국지질자원연구원은 1997년부터 새로운 에너지 자원으로 활용 가능성을 포함하고 있는 가스 하이드레이트를 조사하기 위해 동해 일원에서 탄성파탐사를 실시하고 있다. 탄성파 반사자료로부터 가스 하이드레이트 부존여부를 확인하는 방법은 해저면과 평행하면서 위상이 반대로 나타나는 고진폭 반사파 Bottom Simulating Reflector (BSR)과 BSR상부에서의 진폭감소, 하부에서 진폭증가와 구간속도 감소 둥을 들 수 있다. 대용량 탐사자료로 구성된 탄성파 반사자료에 깊이영역 구조보정을 적용하기 위해서는 고성능 컴퓨터와 병렬처리 기술이 필요하다. PSPI법은 적은 컴퓨터 계산량과 효율성 그리고 주파수 영역에서 구조적으로 병렬화가 용이한 특성을 지니고 있어 구조보정에 많이 이용되고 있다. 여기에서는 동해 가스 하이드레이트 탄성파 반사자료에 대한 일반자료처리와 함께 BSR로 여길 수 있는 구간에 대해 message passing interface_local area multicomputers(MPI_LAM)으로 병렬 코드화된 MPI PSPI를 이용하여 깊이영역 중합 전 구조보정에 적용하였다. 중합 전 깊이영역 구조보정 입력자료를 위한 속도모델은 자체 개발된 지오빗을 이용하여 중합 단면도로부터 지층경계면을 구하고 중합속도를 이용하여 제작하였다. BSR은 시간영역구조보정 된 중합 단면도상에서 음원모음도 3555-4162 사이와 왕복주시 2950 ms 부근에서 확인되지만 깊이영역 단면도에서는 해수면 6 km에서 17 km사이, 해저면에서 약 2.1km 깊이영역에서 나타남을 알 수 있다. 또한 구조보정 결과 반사파 에너지가 집중되는 지점에서 영상화가 잘 이루어지므로 관심대상 지역에 에너지를 많이 보낼 수 있는 자료취득변수를 결정해야 함을 알 수 있다. In order to study gas hydrate, potential future energy resources, Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources has conducted seismic reflection survey in the East Sea since 1997. one of evidence for presence of gas hydrate in seismic reflection data is a bottom simulating reflector (BSR). The BSR occurs at the interface between overlaying higher velocity, hydrate-bearing sediment and underlying lower velocity, free gas-bearing sediment. That is often characterized by large reflection coefficient and reflection polarity reverse to that of seafloor reflection. In order to apply depth migration to seismic reflection data. we need high performance computers and a parallelizing technique because of huge data volume and computation. Phase shift plus interpolation (PSPI) is a useful method for migration due to less computing time and computational efficiency. PSPI is intrinsically parallelizing characteristic in the frequency domain. We conducted conventional data processing for the gas hydrate data of the Ease Sea and then applied prestack depth migration using message-passing-interface PSPI (MPI_PSPI) that was parallelized by MPI local-area-multi-computer (MPI_LAM). Velocity model was made using the stack velocities after we had picked horizons on the stack image with in-house processing tool, Geobit. We could find the BSRs on the migrated stack section were about at SP 3555-4162 and two way travel time around 2,950 ms in time domain. In depth domain such BSRs appear at 6-17 km distance and 2.1 km depth from the seafloor. Since energy concentrated subsurface was well imaged we have to choose acquisition parameters suited for transmitting seismic energy to target area.

음파검층과 밀도검층 자료에서 산출된 이방성 변수를 이용한 지층 구분

장성형,김태연,황세호,Jang, Seonghyung,Kim, Tae Youn,Hwang, Seho 대한지질공학회 2017 지질공학 Vol.27 No.3

지하 지층의 확인은 지표면 지질조사, 시추코어 분석, 시추코어 관찰, 물리검층 자료 분석 등의 다양한 방법을 이용한다. 이 가운데 물리검층 자료는 원위치에서 연속적으로 물성을 제공하므로 시추코어 분석 자료와 더불어 지층의 확인에 활용되고 있다. 본 연구에서는 완전파형 음파검층과 밀도검층 자료에서 이방성 변수를 구하고 이를 이용하여 지층의 구분에 적용하고자 하였다. 톰슨 이방성 변수(${\varepsilon},\;{\delta},\;{\eta}$)는 바쿠스(Backus) 평균법을 P파와 S파 속도, 밀도검층 자료에 적용하여 계산하였다. 이와 같은 방법을 캐나다 블랙풋의 물리검층 자료에 적용한 결과, 12개 구간으로 지층을 구분 할 수 있 수 있었다. 즉, 탄성파 속도 이방성을 반영하는 톰슨 이방성 값의 변화에서 지층의 구분이 가능하였고 지층 구분에 많이 이용하는 자연감마선검층 자료가 없는 경우에도 톰슨 이방성 변수를 이용하여 지층 구분이 가능함을 알 수 있었다. For the formation identification, surface geological survey, drill core analysis, core description and well log analysis are widely used. Among them well log analysis is a popular method with drill core analysis, since it measures continuously physical properties at in-situ. In this study we calculated Thomsen anisotropic parameters (${\varepsilon},\;{\delta},\;{\eta}$) after applying Backus averaging method to the P wave velocity, S wave velocity, and density logs. The well log data application of Blackfoot, Canada, shows the formation could be divided by 12 layers. This shows that Thomsen anisotropic parameters for identifying formation using anisotropic parameters is useful if there is no natural gamma log that is widely used for the formation identification.

주파수영역에서 49점 가중평균을 이용한 scalar 파동방정식의 유한차분식 정확도 향상을 위한 연구

장성형,신창수,양동우,양승진,Jang, Seong Hyung,Shin, Chang Soo,Yang, Dong Woo,Yang, Sung Jin 대한자원환경지질학회 1996 자원환경지질 Vol.29 No.2

Much computing time and large computer memory are needed to solve the wave equation in a large complex subsurface layer using finite difference method. The time and memory can be reduced by decreasing the number of grid per minimun wave length. However, decrease of grid may cause numerical dispersion and poor accuracy. In this study, we present 49 points weighted average method which save the computing time and memory and improve the accuracy. This method applies a new weighted average to the coordinate determined by transforming the coordinate of conventional 5 points finite difference stars to $0^{\circ}$ and $45^{\circ}$, 25 points finite differenc stars to $0^{\circ}$, $26.56^{\circ}$, $45^{\circ}$, $63.44^{\circ}$ and 49 finite difference stars to $0^{\circ}$, $18.43^{\circ}$, $33.69^{\circ}$, $45^{\circ}$, $56.30^{\circ}$, $71.56^{\circ}$. By this method, the grid points per minimum wave length can be reduced to 2.5, the computing time to $(2.5/13)^3$, and the required core memory to $(2.5/13)^4$ computing with the conventional method.

수동 탄성파 수진기 특성 분석

장성형,이동훈,최윤석,손우현,주용환 대한지질공학회 2022 대한지질공학회 학술발표회논문집 Vol.2022 No.1