基于陣列反褶積處理的水力壓裂監(jiān)測方法
【專利摘要】本發(fā)明應(yīng)用于頁巖氣、致密砂巖氣、地?zé)岬鹊叵沦Y源的開發(fā)，提供一種監(jiān)測由水力壓裂導(dǎo)致的巖石破裂的方法，包括：用陣列反褶積處理，得到微地震震源機制相關(guān)散射系數(shù)和震源到各檢波器的格林函數(shù)；將獲得的格林函數(shù)延拓或者偏移，得到發(fā)震時間段的地下監(jiān)測區(qū)域偽波場；通過該波場最大能量的變化拾取微地震震源空間位置；根據(jù)震源位置和震源機制相關(guān)散射系數(shù)搜索震源機制的矩張量，可用于分析震源機制。本發(fā)明可獲得壓裂產(chǎn)生的微地震的位置和震源機制。
【專利說明】基于陣列反褶積處理的水力壓裂監(jiān)測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及地震勘探領(lǐng)域，應(yīng)用于石油天然氣和地?zé)豳Y源的勘探開發(fā)。具體地講，本發(fā)明用于監(jiān)測由水力壓裂巖石形成的微地震，測量巖石破裂的空間位置和破裂機制等參數(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]近二十多年來，隨著人類對能源需求的增長和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，水力壓裂方法已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于頁巖氣、致密砂巖氣、地?zé)?、等地下資源的勘探開發(fā)。水力壓裂是指將高壓流體(水、二氧化碳或其他混合流體)壓入富含資源的地下巖層，使的巖石破裂擴大巖石原有的裂隙系統(tǒng)或形成新的裂隙系統(tǒng)，以便資源的析出、釋放。這些巖石破裂即定義為微地震。相對天然地震，這種由壓裂導(dǎo)致巖石破裂的能量和巖石的位移都很小，但是這些能量仍然能被地震檢波器監(jiān)測到。微地震發(fā)生的時間空間順序，能量大小，震源機制等信息是估計裂隙系統(tǒng)改造，壓裂施工等技術(shù)環(huán)節(jié)的重要參考指標(biāo)。
[0003]地震學(xué)的方法技術(shù)是實現(xiàn)微地震監(jiān)測的唯一有效手段，基本原理是:巖石破裂發(fā)生的地震波被布置在地表或監(jiān)測井中的地震檢波器觀測到；結(jié)合監(jiān)測區(qū)域的地震波速度結(jié)構(gòu)，通過分析記錄到的波形特征，得到微地震的震源位置和震源機制。與傳統(tǒng)勘探地震學(xué)相t匕，微地震是非主動源，其發(fā)震時刻與位置都未知。雖然天然地震有非常成熟的方法求解震源位置和震源機制，但是，由于微地震監(jiān)測的高精度要求，天然地震學(xué)的方法無法直接用于微地震監(jiān)測。
[0004]微地震監(jiān)測有兩個最基本的目的:一是確定微地震發(fā)生的空間位置，又稱為微地震定位，二是震源的的破裂機制(張裂，走滑，還是閉合)。目前，微地震定位的技術(shù)方法主要有兩個，有各自的優(yōu)點也有一些缺陷。一種方法是拾取微地震首波在各檢波器的到時，根據(jù)給定的速度模型，反演震源位置。這種方法非常依賴到時拾取的精度，通常是人工拾取，不便實現(xiàn)自動化定位。另外一種方法是將檢波器記錄的地震波向監(jiān)測區(qū)域延拓或者偏移，拾取能量最大位置作為震源。這種方法對爆炸機制的源的定位非常有效，而微地震震源能大多是雙力耦(double cuple)或非線性的，導(dǎo)致這種方法有一定的局限性。
[0005]本發(fā)明提供一種方法，包括用陣列反裙積(array deconvolution)測量震源到檢波器的格林函數(shù)(Green function)和震源機制的散射系數(shù)(Radiation parameter)的，并用這些測量結(jié)果計算微地震的震源位置和震源機制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明提供的陣列反褶積處理技術(shù)是用來測量震源到檢波器的格林函數(shù)和震源機制的散射系數(shù)，其中包括:選定包含微地震事件的時窗；截取各檢波器對應(yīng)時窗的記錄；計算各記錄的功率譜；功率譜歸一后求的臺陣平均功率譜估計；計算地震子波反褶積濾波因子；用各檢波器的地震記錄褶積反褶積濾波因子；從而估計格林函數(shù)和散射因子。本發(fā)明的核心技術(shù)是陣列反褶積處理提取格林函數(shù)和散射因子，其理論基礎(chǔ)如下。[0007]如圖1所示，微地震(02)發(fā)生在rs，其矩張量為M，其P波首波被位于rK檢波器
(01)接收到，則波形為:
[0008]
【權(quán)利要求】
1.一種基于陣列反褶積處理的水力壓裂監(jiān)測方法，包括以下步驟: (I)對監(jiān)測臺網(wǎng)的數(shù)字地震記錄進行常規(guī)的處理包括濾波、去零漂等，獲得高信噪比記錄，再應(yīng)用STA/LTA或波形互相關(guān)方法等方法，截取含有微地震事件波形的記錄； (II)采陣列反褶積方法處理從各檢波器截取的含有微地震波形的記錄，得到微地震震源到各檢波器的散射因子和歸一化后的格林函數(shù)； (III)以步驟(II)測量得到的歸一化后的格林函數(shù)作為偽地震波場，采用地震波場的偏移或延拓等方法，計算得到微地震發(fā)生時間段震源附近的地震波場； (IX)根據(jù)計算得到的微地震發(fā)生時間段震源附近的地震波場，搜索最大振幅，拾取發(fā)震時刻和震源位置； (X)從地震矩張量解的理論取值范圍中逐個計算理論的散射因子，并與步驟(II)中用陣列反褶積處理得到的散射因子進行比較，通過理論計算值與實際觀測值之間的一致性，掃描搜索微地震矩張量的最佳解； (XI)對下一段微地震記錄重復(fù)進行步驟(1)至步驟(XI)的操作。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于陣列反褶積處理的水力壓裂監(jiān)測方法，其中，步驟(I)包括以下特征:用包括去零漂、去直流、去線性趨勢、濾波等常規(guī)數(shù)字信號處理技術(shù)處理波形數(shù)據(jù)，以提高地震數(shù)據(jù)的信噪比； 用STA/LTA短長時窗平均能量比的方法、波形互相關(guān)方法、或其他方法檢測記錄中是否含有微地震事件；如果在該時窗內(nèi)不存在微地震事件，則到下一段地震記錄重復(fù)步驟(I); 如果存在微地震事件，以統(tǒng)一的時窗T (tn，tn+1)，截取完整微地震波形，得到I個微地震波形數(shù)據(jù)； 特別說明，如果微地震監(jiān)測僅采用的是井中監(jiān)測系統(tǒng)，則還要采用偏振分析方法三分量地震記 錄轉(zhuǎn)換到P-SV-SH坐標(biāo)系，即將3D定位問題轉(zhuǎn)化為更簡單的在地震波傳播平面內(nèi)的2D定位問題，再按照步驟(1)開始實施。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于陣列反褶積處理的水力壓裂監(jiān)測方法，其中，步驟(II)包括以下特征:利用各個檢波器波形記錄的功率譜或者自相關(guān)函數(shù)來估計微地震地震子波的歸一化功率譜或者歸一化自相關(guān)函數(shù)；采用最小二乘反褶積、維納反褶積、或其他反褶積方法，計算反濾波因子；將反濾波因子褶積各檢波器記錄；該褶積結(jié)果的歸一化因子即散射系數(shù)，歸一化后的結(jié)果即從震源到檢波器的格林函數(shù)。
4.根據(jù)專利要求I所述方法的步驟(II)或?qū)＠?所述特征，其中，以各檢波器波形功率譜來計算散射系數(shù)和格林函數(shù)的包括以下步驟: a)采用法包括直接用波形的傅立葉變換和該變換的共軛相乘、最小二乘法或其他方法來估計時窗T (tn，tn+1)波形數(shù)據(jù)的功率譜； b)將歸一化的功率譜U【nUPz:求平均，可計算得到地震子波的平均估計/、中(CnSin) (II) (CnSin)2子。子波、平均估計的表達(dá)式是< ⑷((O] ? Σ h y )..c)采用最小二乘反褶積、維納反褶積或其他反褶積方法，用地震子波的平均估計<[%(,)%.(,)]來計算反褶積濾波因子W⑴； d)用反褶積濾波因子W'(t)褶積微地震波形數(shù)據(jù)<?得到未歸一的格林函數(shù)gin/ ⑴; e)求未歸一的格林函數(shù)gin'(t)的歸一化因子:|gin' (m) I = Max(|gin/ (t) |)； f)求從震源rSn到rKi第i個檢波器的格林函數(shù):gin(t)= gin/ (t)/gin/ (m)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于陣列反褶積處理的水力壓裂監(jiān)測方法，其中，步驟(III)包括以下 特征: 將權(quán)利要求1所述方法中步驟(II)計算得到的從震源到各檢波器的格林函數(shù)作為偽地震波場； 采用地震波場的偏移和延拓方法，包括Kirchhoff偏移，有限差分偏移，逆時偏移等偏移方法，將偽地震波場偏移到監(jiān)測區(qū)域，獲得微地震發(fā)生時間段在震源附近的地震波場。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述方法的步驟(III)和權(quán)利要求5所述方法的，其中，以Kirchhoff偏移方法為例，包括以下特征: g)以均勻或非均勻網(wǎng)格建立對監(jiān)測區(qū)域P波速度結(jié)構(gòu)，或者建立包含各向異性特征的P波速的結(jié)構(gòu)； h)計算各網(wǎng)格點r(Xp, yP, Zp)到各檢波器rKi的距離rP,Ki,地震射線傾角iP,Ki和方位角小 P, Ri ; i)采用包括Snell定律做射線追蹤，用有限差分、或FMM等方法，計算各網(wǎng)格點r(xP，yP，Zp)到各檢波器rKi的地震波走時TKi,P ； j)假設(shè)網(wǎng)格點r(xP，yP, Zp)是微地震震源，在時間段T(tn，tn+1)內(nèi)，該網(wǎng)格點的偽地震波場振幅變化為F [r (\，力，)，?] = X-0^ lp- gin (t + Tri p )。UVrP,Ri k)對監(jiān)測區(qū)域每一個網(wǎng)格都按照步驟j)實施，就得到了監(jiān)測區(qū)域的偽地震波場F(r，t)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于陣列反褶積處理的水力壓裂監(jiān)測方法，其中，步驟(IX)包括以下特征: 將權(quán)利要求1所述步驟(III)或權(quán)利要求4或權(quán)利要求5所述方法獲得的監(jiān)測區(qū)域的偽地震波場F (r，t)，進行包括逐個網(wǎng)格點比較等方法獲得最大值Max (I F(r，t) |)，該最大值對應(yīng)的時刻和空間位置即震源發(fā)震時刻tsn和震源位置rsn。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于陣列反褶積處理的水力壓裂監(jiān)測方法，其中，步驟(X)包括以下特征:將以mNN，mNE，mNZ，mEE，mEZ，mzz張成六維網(wǎng)格化空間，包括等間距或非等間距，Hlij的取值區(qū)間可以選擇[_1，1]或者其他取值范圍； 對每一個格點，例如m' NN, m/ NE, m/ NZ, m/ EE, m/ EZ, m/ zz,計算第i個檢波器其理論散射系數(shù)，包括公式
【文檔編號】G01V1/30GK103926620SQ201410193224
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年5月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月9日
【發(fā)明者】王攀, 王良書 申請人:南京大學(xué)