毛慶輝,王彥春,王 鵬,張旭亮,桂紅兵

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地球物理與信息技術(shù)學(xué)院,北京100083;2.教育部油氣資源與勘探技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長江大學(xué),湖北武漢430100;3.中國石油集團(tuán)東方地球物理勘探有限責(zé)任公司采集技術(shù)支持部,河北涿州072751;4.中海油田服務(wù)股份有限公司物探事業(yè)部,天津300451)

改進(jìn)的微震事件反演重定位方法及其應(yīng)用

毛慶輝1,王彥春1,王 鵬2,張旭亮3,桂紅兵4

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地球物理與信息技術(shù)學(xué)院,北京100083;2.教育部油氣資源與勘探技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長江大學(xué),湖北武漢430100;3.中國石油集團(tuán)東方地球物理勘探有限責(zé)任公司采集技術(shù)支持部,河北涿州072751;4.中海油田服務(wù)股份有限公司物探事業(yè)部,天津300451)

水力壓裂微地震監(jiān)測資料處理解釋的核心是微震事件反演定位,基于微震事件準(zhǔn)確定位的裂縫成像結(jié)果可以為評(píng)價(jià)壓裂施工效果、調(diào)整壓裂設(shè)計(jì)和確定致密油氣藏的開發(fā)方案等提供有效指導(dǎo)。為此,基于前人的研究成果,提出了改進(jìn)的微震事件反演重定位方法。采取將常規(guī)的極化分析約束與空間約束相結(jié)合的思路,先對(duì)微震事件進(jìn)行帶極化分析約束的常規(guī)反演定位,再將走時(shí)殘差目標(biāo)函數(shù)加入空間約束項(xiàng),對(duì)常規(guī)反演結(jié)果進(jìn)行重定位。將常規(guī)方法和改進(jìn)的方法應(yīng)用于實(shí)際資料的微震事件反演定位并作裂縫成像,分別對(duì)壓裂井中目的層段裂縫發(fā)育的走向、傾角、大小進(jìn)行了描述,分析對(duì)比兩種方法解釋的裂縫形態(tài),改進(jìn)方法的成像結(jié)果成窄帶狀,收斂效果更好。

水力壓裂微地震監(jiān)測;極化分析約束;空間約束;微震事件重定位;裂縫成像

水力壓裂微地震監(jiān)測技術(shù)是近年來迅速發(fā)展起來的、監(jiān)測致密含油氣儲(chǔ)層改造效果的油藏地球物理技術(shù),在非常規(guī)油氣勘探開發(fā)中具有廣闊的應(yīng)用前景[1-3]。對(duì)微地震資料進(jìn)行處理、解釋可以獲得水力壓裂裂縫的幾何形態(tài)、空間展布特征以及裂縫的生長過程[4-6],用于評(píng)價(jià)壓裂效果、調(diào)整壓裂設(shè)計(jì)和井網(wǎng)布置,并對(duì)下一步開發(fā)提供有效指導(dǎo),從而提高致密油氣藏的產(chǎn)能[7-9]。

國內(nèi)已有多個(gè)油田開展了水力壓裂微地震監(jiān)測的應(yīng)用試驗(yàn),研究重點(diǎn)是微地震資料處理、解釋中如何對(duì)微震事件的震源位置進(jìn)行準(zhǔn)確的反演定位[10]。宋維琪等[11]基于射線追蹤理論提出了利用共軛梯度法來對(duì)微地震資料進(jìn)行反演,該方法具有計(jì)算速度快的優(yōu)點(diǎn),但容易陷入局部極值。林峰等[12]提出線性定位和Geiger定位相結(jié)合的反演定位方法,在一定程度上能解決線性定位求解精度低的問題。王健等[13]提出基于走時(shí)擬合的震源定位方法。這些方法都是僅僅基于波至旅行時(shí)約束的反演,其反演精度有待提高。尹陳等[14]通過理論及數(shù)值模擬分析，認(rèn)為初至拾取誤差、速度模型精度及定位方法均與定位精度有著緊密關(guān)系。Eisner等[15]指出，由于井下檢波器組排列幾何特點(diǎn)的限制,簡單的三邊測量微震事件定位精度將大大降低,必須利用微震波的方位角(極化分析)作為附加約束條件。Fehler等[16]提出基于多個(gè)微震事件位置約束的改進(jìn)定位方法,認(rèn)為空間約束項(xiàng)能讓震源解向微震群中心搜索,從而改善反演精度,使定位結(jié)果更具群聚性。

基于前人的研究成果,本文提出將常規(guī)的極化分析約束與空間約束相結(jié)合的微震事件反演重定位改進(jìn)思路,即先對(duì)微震事件用帶極化分析約束的網(wǎng)格搜索法進(jìn)行常規(guī)定位,然后再將走時(shí)殘差函數(shù)加入空間約束項(xiàng),對(duì)常規(guī)反演結(jié)果進(jìn)行重定位。

1 方法原理與實(shí)現(xiàn)步驟

在水力壓裂微地震監(jiān)測中,震源(即微震事件)位置和絕對(duì)發(fā)震時(shí)間均未知,但可利用微震事件到達(dá)各個(gè)檢波器的相對(duì)旅行時(shí)間對(duì)其進(jìn)行反演定位[17],并結(jié)合多參數(shù)等先驗(yàn)信息約束微震事件反演定位的精度[18]。從數(shù)學(xué)觀點(diǎn)來說,震源定位問題的實(shí)質(zhì)是求觀測走時(shí)和理論走時(shí)之差所構(gòu)造的目標(biāo)函數(shù)的極小值。由于對(duì)目標(biāo)函數(shù)的構(gòu)造、處理以及求極小值方法的不同,形成了各種不同的反演方法[19-20]。根據(jù)本文研究目的,這里僅介紹基于走時(shí)殘差的常規(guī)微震事件反演定位方法原理和基于走時(shí)殘差與空間約束的微震事件反演重定位方法原理。

1.1 常規(guī)的微震事件反演定位思路

在常規(guī)微震事件反演定位中,構(gòu)造的目標(biāo)函數(shù)主要是基于走時(shí)殘差,即實(shí)際觀測時(shí)差與理論時(shí)差之差(雙差之差)的平方和,通過極化分析約束下[15]的網(wǎng)格搜索法反復(fù)搜索迭代,直到目標(biāo)函數(shù)達(dá)到最小值,此時(shí)其所對(duì)應(yīng)的變量值則為最優(yōu)解。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

常規(guī)微震事件反演定位方法的實(shí)現(xiàn)步驟如下：

1) 設(shè)定搜索范圍及其步長。以射孔井段中心點(diǎn)為中心,依據(jù)實(shí)際情況分別給定x,y,z方向的搜索范圍(設(shè)定x方向搜索上限和下限分別為xmax,xmin;y方向搜索上限和下限分別為ymax,ymin;z方向搜索上限和下限分別為zmax,zmin)及其步長Δx,Δy,Δz。

2) 輸入某個(gè)微震事件的初至、檢波器坐標(biāo)、速度模型和初始震源坐標(biāo)(x,y,z),令x=xmin,y=ymin。

3) 極化分析約束搜索方向。計(jì)算上述震源坐標(biāo)與檢波器之間的方位角,即該震源的傳播方向α(α=arctan(dy/dx);dx,dy為震源與檢波器分別在x,y方向上的坐標(biāo)差值)。將其與校正后微震事件極化分析得到的方位角β比較,若|α-β|<θ(θ為方位角度誤差),則進(jìn)入下一步,令z=zmin;否則令y=y+Δy。在y+Δy基礎(chǔ)上判斷y,若y

4) 若z

5) 構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)。依據(jù)公式(7)建立并計(jì)算目標(biāo)函數(shù)Q。

6) 求取目標(biāo)函數(shù)最小值。比較Q與Qmin(先給定Qmin初始值)的大小,將二者中的較小值賦給Qmin,然后令z=z+Δz,返回第4步。

7) 若x>xmax,完成搜索,輸出目標(biāo)函數(shù)為最小值時(shí)所對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)(最優(yōu)解),即微震事件的位置。

1.2 改進(jìn)的微震事件反演重定位思路

在本文提出的微震事件重定位方法中,加入了空間約束部分并使所構(gòu)造的目標(biāo)函數(shù)最小化:

(8)

(9)

式中:T是重定位震源(x1,y1,z1)到常規(guī)反演定位所求得的所有微震事件(群)的中心點(diǎn)(xc,yc,zc)波傳播的時(shí)間;n為從(x1,y1,z1)到(xc,yc,zc)所經(jīng)過的層數(shù);j為層號(hào)(其中j=1,2,…,n);vj為第j層所對(duì)應(yīng)的層速度;λ是加權(quán)因子,可根據(jù)空間約束部分所占比重進(jìn)行取值。

改進(jìn)的微震事件反演定位方法的具體實(shí)現(xiàn)步驟如下:

1) 由常規(guī)微震事件反演方法大致定位出所有微震事件,并求取其中心點(diǎn)坐標(biāo)。

2) 進(jìn)行常規(guī)微震事件反演定位步驟1)至4)。

3) 構(gòu)造重定位的目標(biāo)函數(shù)。依據(jù)公式(8)建立并計(jì)算目標(biāo)函數(shù)Q。

4) 進(jìn)行常規(guī)微震事件反演定位步驟6)至7),輸出反演重定位后微震事件的位置。

改進(jìn)的微震事件反演重定位方法的實(shí)現(xiàn)流程如圖1所示。

圖1 改進(jìn)的微震事件反演重定位方法流程

2 實(shí)際資料應(yīng)用效果分析

采用某油田實(shí)施水力壓裂時(shí)采集的實(shí)際微地震監(jiān)測資料驗(yàn)證本文所提出的改進(jìn)方法的有效性。本次壓裂的方式是從底層到頂層分3次壓裂,微地震監(jiān)測采用鄰井觀測方式,壓裂井與監(jiān)測井均為斜井,其井口相距222m。頂層壓裂井段垂深為2536～2540m,在監(jiān)測井中垂深為2455～2545m井段放置10級(jí)三分量檢波器,檢波器間隔10m;儀器系統(tǒng)的采樣間隔為0.5ms。由于儀器的限制,整個(gè)監(jiān)測過程大約有10h,而不是連續(xù)觀測的,數(shù)據(jù)記錄格式為SEG-2。本文僅以頂層壓裂監(jiān)測數(shù)據(jù)為例進(jìn)行反演定位處理。

2.1 微地震監(jiān)測資料處理

首先解編微地震數(shù)據(jù),將SEG-2數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)SGY數(shù)據(jù);然后作濾波處理。圖2a是壓裂前對(duì)目的層射孔時(shí)采集的射孔記錄;圖2b是目的層段頂層壓裂時(shí)采集的三分量微震記錄,10個(gè)檢波器共有30道。由圖2b可以看出,第1,4,10,13,16,22,25,28道微震記錄信噪比低,不易識(shí)別,這些道均是Z分量記錄,因此不對(duì)Z分量進(jìn)行拾取。

圖2 射孔記錄(a)和頂層壓裂時(shí)采集的三分量微震記錄(b)

圖3a和圖3b分別是拾取的射孔事件的X分量和Y分量縱波初至,從中可以看出第3和第4個(gè)檢波器初至先到,與實(shí)際觀測方式相符。對(duì)實(shí)際微震記錄應(yīng)用軟件自動(dòng)識(shí)別微震事件,并從中挑選出179個(gè)高品質(zhì)事件進(jìn)行初至拾取。此次采集的微震監(jiān)測資料受儀器及背景噪聲等因素影響,縱波的初至基本上被噪聲淹沒,而微震事件的X分量和Y分量的橫波初至較易識(shí)別。如圖3c和圖3d所示,某個(gè)微震事件中10級(jí)檢波器的X分量和Y分量的縱波初至幾乎無法識(shí)別,而橫波初至較易識(shí)別和拾取,由此可得到微震事件初至?xí)r間。

接著建立反演所需的速度模型。因?yàn)閴毫丫捅O(jiān)測井相距較近且橫向速度變化不大,可以對(duì)研究區(qū)目的層段建立層狀地層模型。圖4為依據(jù)地質(zhì)分層資料建立的4層層狀地層模型。根據(jù)兩口井的聲波測井資料和研究區(qū)縱、橫波速度經(jīng)驗(yàn)公式得到初始速度模型數(shù)據(jù),利用射孔初至?xí)r間進(jìn)行射孔反演并標(biāo)定該層狀地層模型中的各層速度,直至滿足誤差精度為止。最終標(biāo)定的速度模型數(shù)據(jù)如表1 所示。

2.2 微震事件反演定位及其成像

依據(jù)本次微地震監(jiān)測資料的實(shí)際情況,以橫波時(shí)間為核心構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)。先通過公式(3)和公式(6) 求解公式(7),采用1.1節(jié)介紹的常規(guī)微震事件反演定位方法對(duì)研究區(qū)資料的179個(gè)微震事件進(jìn)行常規(guī)反演;在此基礎(chǔ)上通過公式(7)和公式(9)求解公式(8),采用本文提出的改進(jìn)的微震事件反演重定位方法再對(duì)179個(gè)微震事件進(jìn)行反演。圖5為兩種方法反演結(jié)果在水平面上的投影圖及側(cè)視圖。對(duì)比圖5a和圖5c可以看出,改進(jìn)的微震事件反演結(jié)果(圖5c)比常規(guī)微震事件反演結(jié)果(圖5a) 更加收斂,成窄帶狀;對(duì)比圖5b和圖5d可見兩種方法反演的裂縫形態(tài)在垂直剖面上均處在頂層壓裂層段附近,與期望壓裂方案一致。

圖3 拾取的射孔事件的X分量(a)和Y分量(b)的初至和某個(gè)微震事件的X分量(c)和Y分量(d)的初至

圖4 研究區(qū)目的層段層狀地層模型(A是壓裂井位置,B是監(jiān)測井位置)

微震事件反演的最終目的是對(duì)多個(gè)震源聚集成的裂縫成像,實(shí)際是根據(jù)微震事件的空間分布來描述裂縫特征,包括其空間位置、空間形態(tài)分布。對(duì)兩種反演定位結(jié)果進(jìn)行裂縫解釋,先在微震事件的水平投影圖上擬合裂縫方位,常規(guī)微震事件反演定位結(jié)果(圖5a)的方位擬合方程為y=0.3007x+212.85(圖6a),改進(jìn)的微震事件反演重定位結(jié)果(圖5b)的方位擬合方程為y=0.2386x+216.62(圖6b),由此即可求得裂縫走向,并沿裂縫走向求得裂縫長度和寬度。隨后擬合裂縫平面,常規(guī)微震事件反演定位結(jié)果的平面擬合方程為-0.0007x+0.0008y+0.0098z=1(圖7a),改進(jìn)的微震事件反演重定位結(jié)果的平面擬合方程為-0.0007x+0.0007y+0.0101z=1(圖7b),由此可求得裂縫面的傾角,計(jì)算震源點(diǎn)到裂縫面的距離,得到裂縫厚度。兩種反演定位的裂縫解釋結(jié)果如表2所示。從表2中也可看出重定位后得到的裂縫寬度更窄,更收斂,與圖5及圖6的分析結(jié)果一致。兩者的裂縫走向與研究區(qū)地應(yīng)力方向NE67°基本一致。因?yàn)樵趬毫哑陂g目的層段的地應(yīng)力場會(huì)被破壞,所以解釋結(jié)果與地應(yīng)力方向有一定誤差也是符合實(shí)際情況的。

表1 研究區(qū)目的層段校正后的速度模型

圖5 常規(guī)微震事件反演定位結(jié)果(a,b)和改進(jìn)的微震事件反演重定位結(jié)果(c,d)對(duì)比(圖中x,y,z分別表示正東、正北、垂直方向)

圖6 常規(guī)微震事件反演定位結(jié)果(a)和改進(jìn)的微震事件反演重定位結(jié)果(b)在水平面上的方位擬合

圖7 常規(guī)微震事件反演定位結(jié)果(a)和改進(jìn)的微震事件反演重定位結(jié)果(b)的平面擬合

表2 研究區(qū)目的層段壓裂裂縫解釋結(jié)果

反演定位方法裂縫長度/m裂縫寬度/m裂縫厚度/m裂縫傾角/(°)裂縫走向/(°)常規(guī)反演定位方法279．7161．614．66．2NE73．3改進(jìn)的反演重定位方法294．5137．115．05．6NE76．6

3 結(jié)束語

本文提出了一種改進(jìn)的微震事件反演重定位方法,給出了具體實(shí)現(xiàn)步驟。與常規(guī)微地震事件反演定位方法相比,改進(jìn)方法通過對(duì)目標(biāo)函數(shù)引入空間約束項(xiàng),能讓反演解向微震群中心搜索,使定位結(jié)果的精度更高、更具有群聚性。分別利用常規(guī)方法和改進(jìn)方法對(duì)實(shí)際微地震資料進(jìn)行了反演定位處理并解釋了裂縫成像結(jié)果(包括長、寬、厚、走向、傾角)。對(duì)比分析表明,改進(jìn)方法的成像結(jié)果更收斂,證明了本文改進(jìn)方法的有效性。

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(編輯：戴春秋)

The improved microseismic event relocation method and its application

Mao Qinghui1,Wang Yanchun1,Wang Peng2,Zhang Xuliang3,Gui Hongbing4

(1.SchoolofGeophysicsandInformationTechnology，ChinaUniversityofGeosciences，Beijing100083,China;2.KeyLabofOilandGasResourcesandExplorationTechnology，YangtzeUniversity，Wuhan430100，China;3.AcquisitionTechnicalSupports，BGPInc.，CNPC,Zhuozhou072751,China;4.GeophysicalDepartment,ChinaOilfieldServicesLimited,CNOOC,Tianjin300451,China)

Mircoseismic event location is the core of the data processing and interpretation in hydro-fracturing microseismic monitoring.Fracture imaging based on accurate microseismic event location can provide effective guidance for evaluating fracturing effect,adjusting fracturing design and determining the exploitation plan of tight oil and gas reservoirs.Therefore,the method of improved microseismic event relocation by using polarization analysis constraint in combination with spatial constraint is presented based on the research achievements of predecessors.The event coordinates inverted by conventional microseismic event location method constrained by polarization analysis are relocated by improved microseismic event relocation method which introduces spatial constraint term to objective function only containing travel time residual.The above methods have been applied to real data in order to locate the microseismic events which are used for fracture imaging.The fracture induced by hydro-fracturing in the target layer has respectively been characterized with strike,dip,size.Then the two interpreted fracture geometries have been analytically compared to each other.The imaging results from improved method are converged to a narrow strip more effectively than those from conventional location.

hydro-fracturing microseismic monitoring,polarization analysis constraint,spatial constraint,microseismic event relocation,fracture imaging

2014-02-19;改回日期：2014-07-17。

毛慶輝(1987—),男,博士在讀,研究方向?yàn)樗毫盐⒌卣鹳Y料處理與解釋、轉(zhuǎn)換波靜校正和疊后儲(chǔ)層預(yù)測。

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)項(xiàng)目(2013AA064201)和中國石油天然氣集團(tuán)公司“非常規(guī)油氣物探關(guān)鍵技術(shù)研究”項(xiàng)目(2014A-3612)聯(lián)合資助。

P631

A

1000-1441(2015)03-0359-08

10.3969/j.issn.1000-1441.2015.03.016