4D Joint Stratigraphic Inversion of Prestack Seismic Data: Application to the CO2 Storage Reservoir (Utsira Sand Formation) at Sleipner Site Inversion stratigraphique jointe 4D de données sismiques avant sommation : application au réservoir de stockage de CO2 (Formation Utsira) du site de Sleipner

Abstract

Seismic monitoring is commonly used in the oil industry to follow the evolution of reservoir properties during production. We present a methodology of time-lapse (or 4D) stratigraphic inversion, which is able to provide an estimation of P- and S-wave impedance variations in the reservoir by inverting prestack time-lapse seismic data. The 4D inversion is implemented in the time domain and requires a time scaling law for each repeated seismic dataset in order to adjust the arrival times of homologous events observed in the so-called reference and monitor datasets. This operation is often referred to as the warping problem. The 4D inversion is a 3-step methodology. The first step consists in inverting each seismic vintage independently, thus providing as many P- and S-wave impedance distributions as datasets considered. The second step uses the available P-wave impedance information to solve the warping problem which is crucial to the third and final step: the joint inversion of all available seismic vintages. This 4D inversion sequence was applied to seismic datasets recorded on the Norwegian CO2 storage reservoir of Sleipner field located in the North Sea. The latter is becoming a reference industrial site for the long-term storage of carbon dioxide (CO2) in a saline aquifer, the Utsira sand formation. We focused our 4D inversion study on the 1994 and 2006 vintages acquired two years before and ten years after the beginning of CO2 injection, respectively. The warping correction resulted in a time-scaling law with a maximum pushdown effect of about 45 ms at the base of the Utsira aquifer. The joint 4D inversion results show more consistency than the single 3D inversion results: the 4D inversion notably provides P-wave impedances for the CO2 -saturated sandstones which are close to the values derived from rock physics studies. Le monitoring sismique est couramment utilisé dans l'industrie pétrolière pour suivre l'évolution des propriétés des réservoirs au cours de leur production. Nous présentons ici une méthodologie d'inversion stratigraphique 4D qui fournit une estimation des variations d'impédances des ondes P et S dans le réservoir, par inversion de données de sismiques répétées avant-sommation. L'inversion 4D est implémentée dans le domaine temps et nécessite une loi de mise à l'échelle des temps de trajets pour chaque jeu de données de sismique répétée (aussi appelé "millésime") afin de mettre en correspondance les temps d'arrivée d'événements homologues observés sur les jeux de données appelés référence et monitors. Cette opération est souvent appelée "warping". L'inversion 4D est une méthodologie qui comporte trois étapes : la première étape consiste à inverser chaque millésime sismique séparément, pour produire autant de distributions en impédances P et S que de jeux de données considérés. La seconde étape utilise l'information des impédances P disponibles pour résoudre le problème du warping, qui est un point clé pour la troisième et dernière étape : l'inversion jointe de tous les millésimes sismiques disponibles. Cette séquence d'inversion 4D a été appliquée aux jeux de données enregistrés sur le réservoir de stockage de CO2 du site norvégien de Sleipner (Mer du Nord). Ce dernier est devenu un site industriel de référence pour le stockage à long terme du dioxyde de carbone (CO2) dans un aquifère salin, la formation des sables de l'Utsira. Nous avons focalisé notre étude sur l'inversion 4D des millésimes 1994 et 2006, acquise respectivement avant et dix ans après le début de l'injection de CO2. Le warping a fourni une loi de mise à l'échelle des temps de propagation avec un retard maximum d'environ 45 ms à la base de l'aquifère Utsira. L'inversion 4D jointe a donné des résultats plus cohérents que les inversions 3D : l'inversion 4D fournit en particulier des impédances P pour les grès saturés en CO2 qui sont très proches des valeurs fournies par la physique des roches.