O alto consumo de tempo em processamento computacional é um problema que, geralmente, está associado aos métodos de tomografia sísmica. Isto ocorre porque, em cada passo do processo iterativo de inversão definido pelo método tomográfico, o problema da conexão de dois pontos, pela curva da trajetória do raio sísmico, deve ser resolvido para cada par fonte-receptor. A fim de reduzir a gravidade deste tipo de problema, a norma Euclideana (norma L2de vetor), comumente empregada nas funções de erro a ser minimizado no processo de inversão, é substituída por uma norma L1 de função. Essa mudança permite estimar parâmetros do modelo através da minimização da área entre curvas de tempos observados e calculados que são interpoladas (ou ajustadas) aos pontos referentes aos dados. Desenvolvimentos matemáticos e experimentos numéricos relativamente simples, com modelos bidimensionais de campos de velocidade sísmica de ondas compressionais, mostram que a norma L1 de função permite poupar uma enorme quantidade de tempo de processamento sem uma importante perda de precisão. Às vezes, os parâmetros do modelo são estimados de modo mais acurado usando-se a norma L1 da integral em lugar da norma L2 de vetor, tradicionalmente usada na inversão tomográfica.

Seismic ray tomography methods are usually associated with substantial computer processing time. The reason for this is that at each step of the iterative inversion process defined by the tomographic method the two-point ray tracing problem must be solved for each source-receiver pair. In order to resolve this, an Euclidean norm (L2 vector norm), commonly used in error functions which are to be minimized in inversion procedures, is substituted by an L1 integral norm, which enables the estimation of model parameters by minimizing the area between observed and calculated traveltime curves that are interpolated (or adjusted) to the data points. Relatively simple mathematical developments and numerical experiments with two-dimensional compressional seismic wave velocity field models showthat L1 integral norm saves an enormous amount of processing time with no significant loss of accuracy. Occasionally, parameters of the model can be better estimated using L1 integral norm than the L2 vector norm that is traditionally utilized in seismic inversion tomography.

Apresentamos uma avaliação do método da reflexão crítica time-lapse do ponto de vista da análise de sensibilidade e de incertezas. O propósito desta análise é estabelecer um vínculo entre variações da velocidade ondulatória compressional (P) num reservatório, devido à substituição de fluidos, e a distância crítica (X C), um parâmetro dinâmico. Dois parâmetros estáticos da sobrecarga (overburden) são considerados na análise: sua espessura e sua velocidade ondulatória efetiva (ou P equivalente). Análise estocásticas de incertezas, usando simulações através do método de Monte Carlo, foram realizadas para determinar a sensibilidade de X C relativamente ao contraste de velocidade entre o reservatório e sua correspondente sobrecarga. Resultados mostram que o efeito do valor da velocidade em cada meio, reservatório e sua sobrecarga, na estimativa de X C depende do contraste de velocidade entre os dois meios. Eles revelam que quanto maior for a diferença de velocidade entre os dois meios, maiores serão os efeitos associados com a velocidade P no reservatório. Por outro lado, a dependência com relação à velocidade (Vrms do meio incidente) é, exatamente, oposta. Do ponto de vista da inversão, a previsão das variações da velocidade P no reservatório através de variações da distância crítica, é fortemente dependente de incertezas na estimativa inicial da velocidade P no reservatório, seguido, pelo seu grau de importância, pela velocidade associada ao meio incidente. Outras fontes de incertezas revelaram-se desprezíveis nesta análise. Efeitos geomecânicos não foram aqui considerados.

We present an evaluation of the time lapse critical reflection method from the point of view of sensitivity and uncertainty analysis. The purpose of this analysis is to establish the link between changes in the p-wave velocity in the reservoir, due to fluid substitution, and the critical distance (X C), a dynamic parameter. Two static parameters of the overburden are considered in the analysis: its thickness and its effective or equivalent P-wave velocity. Stochastic uncertainty analysis by means of Monte Carlo simulations was carried out to determine the sensitivity of X C to velocity contrast between that of the reservoir and the corresponding one to the overburden (incident medium). Results show that the effect of the velocity values in each medium, overburden and reservoir (reflecting medium), on estimates of X C depends on the velocity contrast between the two media. It turns out that the greater the velocity difference between the two media, the greater the effects associated with the reservoir P-wave velocity. On the other hand, the dependence of X C on overburden velocity (Vrms of the incident medium) is just the opposite. From the inversion viewpoint, predicting changes of the reservoir P-wave velocity from changes in critical distance is strongly dependent of the uncertainty in the initial estimate of the reservoir P-wave velocity, followed by degree of importance by the uncertainty in the overburden velocity. Other sources of uncertainty in this analysis turned out to be negligible. Geomechanical effects have not been accounted for in this analysis.

No presente trabalho, fazendo-se uso de uma abordagem integrada de simulação de fluxo em reservatórios, física de rochas e modelagem sísmica time-lapse , investigam-se os principais efeitos das barreiras de permeabilidade na resposta sísmica, através da simulação de injeção de fluidos. Com o propósito de analisar os efeitos, realizaram-se alguns experimentos sintéticos de injeção de água e gás em um modelo simples de reservatório com variações laterais e verticais de porosidade e barreira de permeabilidade. O modelo básico foi construído levando-se em consideração alguns cenários de permeabilidade da barreira. Mediante a teoria da substituição de fluidos, e utilizando-se algumas relações empíricas que dão conta das propriedades da fase fluída em função da pressão e da temperatura, avaliaram-se, a partir de uma perspectiva dinâmica, atributos sísmicos, tais como: velocidade e impedância acústica. Posteriormente, gerou-se sismogramas sintéticos e algumas seções de contraste para comparar as imagens das seções sísmicas obtidas no início da produção com as imagens em tempos subseqüentes de modo a avaliar possíveis diferenças nos parâmetros sísmicos devido a mudanças nas propriedades da barreira de permeabilidade. Análises dos resultados revelaram que a injeção de água não induz efeitos significativos em presença de barreiras. Por outro lado, a injeção de gás e o grau de impermeabilidade da barreira podem nos ajudar a compreender melhor a maneira como a barreira de permeabilidade atua na resposta sísmica. Observou-se também que a presença de barreiras pode induzir um aumento de pressão no reservatório, modificando o módulo bulk dos fluidos em regiões concomitantes à barreira de permeabilidade.

In this project, we link fluid flow simulation results to time-lapse seismic through rock physics and modeling. Our goal is to examine the main effects of permeability barriers on seismic response using fluid flow simulations to generate pressure and saturation fields. To explore this problem, we have carried out water and gas injection numerical experiments in a simple reservoir model which has vertical and horizontal variations of porosity as well as permeability barriers. In each experiment, we change the barrier permeability values. By using fluid substitution theory, Gassmann and patchy models, and Batzle and Wang's empirical relationship we model the main seismic parameters, such as acoustic impedance and compressional velocity. After that, we generate synthetics seismograms and some contrast sections to compare the seismic images prior and after fluid injection events in subsequent time periods to analyze possible differences in the seismic parameters due to changes in barriers properties. The results show that barriers can increase fluid pore pressure changing the bulk modulus in the regions with barriers. The results also show that water flow does not have significant impact on seismic response when the barrier is present. On the other hand, gas flow and the degree of impermeability of the barrier can help us to understand how the barriers act on the seismic response and thus to reduce uncertainty. Finally, this paper presents a methodology to examine barriers effects on seismic response.

O algoritmo desenvolvido neste trabalho é baseado no método das diferenças finitas aplicado à equação acústica da onda, assumindo que a Terra se comporta como um meio acústico, que permite implementar numericamente uma modelagem sísmica empregando malhas regulares em modelos que representam meios geológicos bidimensionais. As derivadas segundas presentes na equação da onda foram obtidas por expansões da série de Taylor de quarta ordem, para o caso espacial, e de segunda, para o temporal. Os modelos foram representados por dois tipos distintos de parametrizações: por blocos e polinomial trigonométrica. São apresentadas simulações do fenômeno de propagação de ondas em vários modelos, representados pelas duas parametrizações mencionadas, possibilitando, assim, a geração de sismogramas sintéticos para comparação. Os sismogramas obtidos, com a parametrização polinomial, mostram alguns comportamentos não desejados como: produção de reflexões artificiais, atenuação de reflexões, supressão de difrações, e pequenas alterações nos tempos de trânsito e amplitudes calculados. Por outro lado, como vantagens desta parametrização proposta, temos: economia de espaço de memória (pois um modelo complicado de velocidade pode ser representado por uma pequena quantidade de coeficientes, isto é: o modelo não é armazenado em um arquivo, mas é comprimido, ou contido, numa fórmula matemática ou numa representação analítica); produção de modelos de velocidades suavizadas (úteis na migração sísmica); sintetização do modelo num pequeno conjunto de coeficientes que se tornam parâmetros do modelo a serem estimados em possíveis procedimentos de inversão (independentemente do grau de complicação da geometria do modelo e da variação da velocidade sísmica); melhor representação de modelos realísticos por polinômios trigonométricos em comparação com a parametrização por blocos; e redução das ambigüidades normalmente presente nas técnicas de inversão, se uma quantidade suficiente de dados for disponível. Cabe acrescentar que: o efeito de Gibbs, presente em representações polinomiais, é contornado, no método das diferenças finitas, através da escolha conveniente dos nós da malha ou pelo aumento do número de coeficientes do polinômio.

The algorithm developed, in this work, is based on the finite difference method applied to the acoustic wave equation, assuming that the Earth has an acoustic behavior, that allow us to implement, in a numerical way, a seismic modeling employing regular grids in models representing two-dimensional geological media. Second derivatives with respect to space and time of wave equation are obtained by Taylor series expansion of fourth and second orders, respectively. The models are represented by two different kinds of parameterizations: blocks and trigonometric polynomials. Simulations of the wave propagation phenomenon are accomplished in several models represented by the two mentioned parameterizations, making possible to generate synthetic seismograms to be compared. Seismograms, obtained when the polynomial parameterization is used, show some undesired behaviors such as: production of artificial reflections, weakening of reflection events, suppression of diffractions, and a little alteration in calculated traveltimes and amplitudes. By the other hand, some advantages of the proposed polynomial parameterization are: economy of computer memory space (because a complicated velocity model can be represented by a few quantity of coefficients, it means: the model is not more stored in a file, but it is compressed, or contained, in a mathematical formula or an analytical representation); production of a smooth velocity model (useful to generate a time field to be used in seismic migration, for example, in reverse time migration); the polynomial coefficients are just the parameters of the model to be estimated by an inversion procedure (independently of the degree of geometrical complication of the model and how is varying the seismic velocity on it); realistic models are better represented by trigonometric polynomial than block parameterization; and the ambiguity commonly present in inversion techniques results, is reduced if sufficient data is available. Gibbs effects, present in polynomial representations, is avoided by the finite differences method by choosing conveniently the knots of the mesh or increasing the number of polynomial coefficients.