Practical aspects of marine controlled source electromagnetic method data processing and imaging

Seismic, EM and gravity methods are widely used for non-invasive determination of subsurface physical properties. In recent years, there has been a renewed interest in multi-physics approach in geophysical applications, mainly hydrocarbon exploration, due to the observation that different geophysical methods sense different rock properties and their joint utilization can reduce the ambiguities of the interpretation. In particular we focused the investigation on mCSEM – marine Controlled Source Electro Magnetic method, a relatively new and not fully exploited methodology in the field, at least compared to the extensively syudied and developed seismic techniques. The standard processing and interpretation for mCSEM data usually follows the known mathematical inversion framework, that lead to an estimation of electrical resistivity distribution in the subsurface, useful indicator of potential hydrocarbons reservoirs, being oil and gas fluids characterized by a higher electrical resistivity compared to the sorrounding compound medium, that in contrast has an electrically conductive behaviour. This dissertation addresses some aspects of the preliminary data analysis before inversion, proceeding from a 2.5 dimensional data sensitivity analysis with respect to model parameters (depth, dimension, resistivity of an hypothetic target in the subseafloor region, signal frequency used for sensing) in a simple reference scenario, to attributes extraction from data to formulate a quick qualitative interpretation, to detect and to give an approximate localization of resistivity anomalies along acquisition line. This first estimate could be of aid in subsequent processing steps. Furthermore, due to difficulties in proper quantification on the depth of anomalies (the high-resistivity targets), starting from already known imaging approaches based on seismic migration techniques, I try to refine the hypothesis made on anomalies locations in depth and I experimentally evaluate the spatial resolution of the method. Examples on both synthetic and real datasets are presented. As known in specialized literature, a precise (especially in depth) anomaly localization in mCSEM imaging remains an issue, due to limitations arising from the exploitation of very low frequency signals in conductive media.

I metodi sismici, elettromagnetici (EM) e gravimetrici sono ampiamente utilizzati per la determinazione non invasiva delle proprietà fisiche del sottosuolo. Recentemente nel campo della geofisica applicata si assiste ad un rinnovato interesse nell’approccio multi-fisico, specialmente per applicazioni di esplorazione finalizzate alla ricerca di idrocarburi, dovuto all’osservazione per cui differenti metodi geofisici sono sensibili a differenti proprietà delle rocce e il loro utilizzo congiunto può teoricamente ridurre le ambiguità nell’elaborazione e interpretazione dei dati. In particolare questa tesi si focalizza sullo studio del metodo mCSEM - marine Controlled Source EM method - relativamente nuovo (rispetto ad esempio ai metodi sismici, estensivamente studiati e sviluppati da decenni) e non totalmente sfruttato dall’industria nel contesto esplorativo. La catena standard di elaborazione e interpretazione dei dati mCSEM segue il noto paradigma della formulazione e soluzione di un problema di inversione, con l’obiettivo di dare una stima della distribuzione spaziale della resistività elettrica del sottosuolo, utile indicatore di poteziali giacimenti di petrolio o gas, essendo questi fluidi caratterizzati da resistività elettriche di diversi ordini di grandezza maggiori del mezzo eterogeneo che li circonda, di solito elettricamente conduttivo. In questa tesi vengono affrontati alcuni aspetti dell’elaborazione dei dati che precede l’inversione. Dopo una analisi di sensitività numerica del dato mCSEM rispetto ai parametri di un semplice modello di riferimento 2.5D, quali dimensioni, profondità, resistività di una ipotetica anomalia geologica sotto il fondale marino e la frequenza del segnale trasmesso, vengono presentate tecniche di estrazione di particolari attributi dai dati (alcune note in letteratura e una originale, si mostrerà inoltre come la loro analisi congiunta consenta di rafforzare o meno le ipotesi sul modello) che consentono una prima intrpretazione del modello di resistività, in maniera rapida ma qualitativa, consentendo la rivelazione e una localizzazione approssimata di anomalie ad alta resistività, lungo la direzione della linea di acquisizione. Questa prima stima può risultare utile nelle operazioni di elaborazione seguenti, piuttosto che per ottenere informazioni a priori incorporabili negli algoritmi di inversione. Questi approcci, identificati come indicatori scalari nel testo, soffrono di una scarsa sensibilità rispetto alla profondità delle anomalie. Partendo da approcci di imaging attraverso migrazione noti in letteratura, ispirati alle corrispondenti tecniche note in sismica, si mostra come è possibile migliorare le ipotesi sulla localizzazione in profondità delle anomalie resistive viene valutata sperimentalmente la risoluzione del metodo. Vengono presentati esempi di applicazione su dati reali e sintetici. Come noto in letteratura, una precisa localizzazione, specialmente in profondità, di anomalie resistive da dati mCSEM rimane un problema aperto, dovuto alla fisica del problema, che prevede l’utilizzo di segnali EM a bassissime frequenze in mezzi conduttivi.