微破裂向量扫描方法与流程

本发明涉及地球物理勘探微地震定位技术，更具体的说涉及石油、矿产等工业领域内由天然构造活动或生产诱发的微破裂进行监测的向量扫描方法。

背景技术：
油气矿产储层一般位于地下几百至几千米的深度，因而具有一定的地层压力。如油气开井后，井口与储层有一个压力差，油气在这种压力差的驱动下，会沿井喷出。然而，随着储层在井附近的地层压力的逐渐释放，油气喷冒现象也逐渐减弱，直至停止，这就是通常的在开发早期的天然动能的释放过程。此后，必须实施岩石压裂，进行人工造缝。压裂后，由于储层中由支撑物支撑的（或由酸化作用造成的）数十米至数百米的裂缝带的形成，油气渗出面积大量增加，得以增产。故压裂是提高采收率的一个重要生产措施。油田开发者非常关心压裂裂缝的时空分布，即通常所说的裂缝的长、宽、高、和走向，及其随时间的变化。若已知这类分布，则能够：（A）检查压裂的效应，对压裂过程参数，如压力、混合支撑物的排液量、或酸液等，实施调整，从而进一步实施压裂控制，直至将来可能的实时控制；（B）对注水（气）驱油生产过程中的井网布置提供极为重要的参考数据，从而开发专家能够据此以及驱油过程原理确定新的井位，或采取其他有效生产措施。因而，监测并影像压裂裂缝的空间时间分布具有重大意义，它是科学、合理地开发、了解和分析油气矿产动态特性、提高产量和最终采收率不可缺少的重要手段。微地震压裂监测技术是近年来在低渗透油气藏压裂改造领域中的一项重要新技术,目前最可靠的微地震压裂检测方法是井下邻近观测法，其限制条件苛刻,需在邻近压裂处有或新开挖一几百米的井，在井中布设地震检波器实施观测，该方法成本极高、实施过程复杂。而传统的地表布设地震台网观测法，由于天然构造活动或生产诱发的地下微破裂释放能量极为微弱，容易受周围噪声影响或遮蔽，在地表布设地震台网 观测时，通常不可能看到凸显的压裂中大量微破裂的地震响应波形，即不可能提取纵、横波初至，难以实现根据初至推算震源的传统定位；同时在对地震台网数据的叠加时未能有效去除噪音的干扰。

技术实现要素：
为克服上述现有技术存在的技术问题，本发明提供了一种微破裂向量扫描方法,能够有效压制噪声增强有用信号，通过扫描地下破裂空间释放的能量的方式，实现在地表稀疏布设压裂监测台站对地下破裂点的有效定位。并进一步实现对压裂主裂缝的长度和走向的监测。本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种微破裂向量扫描方法，包括以下步骤：（1）获得初始化数据，对微破裂监控数据进行预处理；所述初始化数据包括获得多个用于监测压裂的三分量微震记录仪台站的经纬度坐标,围绕地下目标压裂点设定监测目标区域；所述预处理包括对监控数据进行带通滤波；（2）将所述的监测目标区划分为多个网格点，根据勘探结果建立包括所述监测目标区和所述多个台站区域的地震波三维速度模型，根据三维速度模型利用3D射线追踪获得监测目标区内每一网格点到各台站的最小到时和入射方向；（3）以压裂施工前各台站对背景噪音的预监测数据，计算出各台站固定频率的震源噪音模型，将震源噪音模型反向后与各台站的压裂监测数据叠加消除固定频率的噪音干扰；描述是否准确，请确认完善（4）根据一指定网格点k到各台站的最小到时同步各台站相同时间段窗口内的压裂记录向量，将各台站该时间段窗口内的多个记录向量旋转至网格点k到各台站的入射方向后叠加获得网格点k的破裂能量；所述叠加应考虑各台站记录向量的正负极性，各台站记录向量的正负极性可通过穷举所有正负极性的可能性取叠加的最大破裂能量时的组合获得，或者通过各台站记录向量的相关性分析获得，或者结合上述两种方式分析获得；（5）对各网格点重复步骤（4）则获得监测目标区该时间段窗口所有网格点的破裂能量的三维扫描分布；（6）针对不同时间段窗口重复步骤（4）和步骤（5）则获得多个时间段窗 口的破裂能量的三维扫描分布，得到监测目标区破裂能量的四维扫描分布。通过有效压制噪声增强有用信号，扫描地下破裂空间释放的能量的方式，实现在地表稀疏布设压裂监测台站对地下破裂点的有效定位。作为优选，还包括以下步骤：（7）将不同时间段窗口破裂能量的三维扫描分布合并，用不同时间段窗口破裂能量的三维扫描分布中相同网格点k的最大破裂能量值表示网格点k的破裂能量，由大于设置的阈值的网格点k组成的最大区域，可确定压裂主裂缝的长度和走向。进一步实现对压裂主裂缝的长度和走向的监测。作为优选，所述的阈值可设置为所有网格点最大破裂能量值的60%～70%。作为优选，在步骤（4）中，按以下公式进行叠加：fij为第i个台站第j个记录样点指向网格点k的记录向量，它的指向由地下网格点k的微震射线到记录台站的入射方向确定，F为归一因子，S(k)是向量极性叠加后的平方的集合，代表网格点k的破裂能量。作为优选，步骤（1）中所述的预处理还包括将干扰强烈的台站监测数据进行剔除，当某一台站监控数据记录向量表示的微破裂信号的均值大于设定的阈值时可认为其受到强烈的干扰将该台站剔除。作为优选，在步骤（4）中所述的叠加前可对各台站该时间段窗口的监测数据进行检查，当某一台站该时间段窗口的监控数据记录向量表示的微破裂信号的均值大于设定的阈值时可认为其受到强烈的干扰将该台站剔除。作为优选，在步骤（4）中所述的时间段窗口的时间长度范围通常在50-300秒。作为优选，所述的台站包括外壳为带螺纹的柱状体的检波器，所述检波器在埋设时使用螺纹匹配且直径略小于检波器外壳的钻垂直地面钻出一个洞，再将检波器旋入洞中。通过采用与大地良好耦合的台站和埋置方法，可以大大提高监测数据的有效性。作为优选，所述的台站应设置在计划的地下压裂点在地面的投影点3km以 下，同时距压裂车群1km以上的区域内，在围绕所述投影点的各个方位、各个距离上选择噪音干扰小的位置离散设置。通过合理的布设方法，可以获得较好信噪比的监测数据。作为优选，所述台站通过GPS授时，授时精度在1.0E-7秒，通过GPS定位台站的经纬度坐标，经纬度坐标精度在5-15m，所述台站的采样点间隔在0.5ms至4ms。本发明的微破裂向量扫描方法通过将地下监测目标区网格化，基于地震波三维速度模型和3D射线追踪获得每一网格点到各台站的最小到时和入射方向，台站的记录向量旋转至入射方向以压制地表噪声增强有用信号，基于最小到时和微破裂的剪切特性同步各台站记录向量并进行极性叠加有效屏蔽非周期性噪音获得网格点的破裂能量，基于背景噪音的预监测有效屏蔽周期性噪音，实现了在地表监测微破裂信噪比低的情况下，对地下破裂点的有效定位，进一步实现对地下压裂裂缝的监测。本发明的微破裂向量扫描方法具有成本低、不破坏环境、施工简单快速、处理数据时间短的优势。附图说明图1是台站接收点处P、S、SH和SV波的定义图图2多个台站在同一时段接受的微破裂信号对比图图3是本发明微破裂向量扫描方法的流程图具体实施方式以某油井压裂监测项目的具体实施操作过程来介绍本发明的微破裂向量扫描方法的实施方式，其实施步骤如图1所示，包括如下步骤。步骤S10：布设监测台站。在距计划的地下压裂点在地面的投影点3km以下，同时距压裂车群1km以上的区域内，在围绕所述投影点的各个方位、各个距离上选择噪音干扰小的位置离散布设用于监测微破裂的M个三分量微震记录仪台站，简称台站。为了获得较强的破裂信号，提高信噪比，台站应越接近压裂点地表投影点越好，但是压裂车群一般也置于投影点附近，其振动噪音巨大，台站又应远离它们。经过 研究分析，在距压裂段地表投影点的3km范围内，同时距压裂车群1km以外的区域内，尽量选择噪音干扰小，距离所述投影点近的地方，围绕投影点在各个方位、各个距离上，离散的布设台站可以获得较好的信噪比，台站的布设应均避免在绕地表投影点相同半径的圆周上。从理论上说，最少用三个台站就能对地下破裂点进行扫描定位，但是在实际应用中，由于各种噪声的存在，微弱的有效信号根本不能进行有效的叠加，从而不能对破裂点进行准确的定位。显然，台站的数量M越多扫描结果越准确，但过多则运算量过大运算时间过长，也没有必要，因此需根据目标区域的实际情况，如噪音情况选择8-50个为宜，本实施例布设25个三分量微震记录仪。所述的台站的检波器的外壳为带螺纹的柱状体，在埋设时使用螺纹匹配且直径略小于检波器外壳的钻垂直地面钻出一个洞，再将检波器旋入洞中，使检波器和洞壁作紧配合，不破坏地表的原来密度，不破坏土质的整体性，达到检波器和大地的高度耦合，可以大大提高监测数据的有效性。所述的台站对压裂过程实施监测记录监测数据，记录向北方向（N）震动、向东方向（E）震动和垂直地面（Z）三个方向的震动向量，记录样点的采样点间隔应在0.5ms至4ms，本实施例的的采样点间隔为2ms，即每台站每秒钟有500个记录样点，可获得500个记录向量。同时所述的台站通过高精度的GPS定位获得各台站布设的经纬度坐标，经纬度坐标精度在5-15m。通过高精度的GPS授时(格林威治时间)保持各台站的时间高度一致，GPS的授时精度在1.0E-7秒，使得各台站可以独立工作，不必联网统一时间。步骤S20：进行预监测和压裂数据监测。在压裂施工开始前一段时间进行预监测，记录背景噪音数据,如施工开始前1小时就开始对背景噪音进行采集，用于屏蔽周期性的噪音干扰。在压裂车群对目标区实施压裂过程中和压裂施工结束之后一段时间内进行压裂监测，记录监测数据，采集压裂微破裂信号，如压裂施工结束后再记录1小时，这是因为压裂施工完成之后，储层在压力的作用下还会继续产生裂缝，直到地下压力建立新的平衡为止。步骤S30：获得初始化数据，对监测数据进行预处理。所述初始化数据可包括：（1）获得各台站的经纬度坐标。（2）获得各台站的启动关闭时刻，将各台站分别采集的数据进行时间同步化。在采集过程中，由于各个台站是独立的采集系统，每个台开始工作的时间不一定相同，因此就要对数据进行时间同步化，保证全部数据时序的统一整体。如果各个台站通过网络系统连接由统一的服务器控制，可实现时间上的同步，则可省略该步骤。所述预处理可包括：（1）将各台站数据转换成为较通用的SEG-Y格式。（2）去除坏台数据，将由于台站故障、采样点间隔不正确、GPS授时不正确等原因导致数据无法使用的坏的台站数据去除。（3）对各台站数据进行整体质量检查，将干扰强烈的台站数据进行剔除。干扰强烈的台站数据可能是由于特殊地面干扰噪音源、野外布设台站操作的问题引起的，当某一台站监测数据记录向量表示的微破裂信号的均值大于设定的阈值时可认为其受到强烈的干扰应将其剔除，阈值可根据经验设定，也可根据各台站微破裂信号的均值的2-3倍设定，或通过一定的加权平均获得。如图2所示，是编号为003、007、014、015、016、019、025的7个台站在同一时段接受的向北方向（N）、东方向（E）和垂直地面（Z）三个方向的震动向量的微破裂信号对比图，可见007号台站和025号台站明显受到强烈的背景噪声影响。（4）对台站数据进行去噪处理。包括进行带通滤波，去除尖脉冲干扰和零漂，滤波范围在1-45Hz，滤去高、低频信号。去除目标区外来震记录（非目标区地震释放能量）,当纵波到得早,横波到得晚,这个时差大于0.5-1秒时可以认定是来自外目标区外的地震。去除地面强噪音源引起的干扰,如车辆等，当振幅异常大时可认定为是突发的地面强噪音源引起的干扰。步骤S40：将监测目标区域网格化，建立地震波三维速度模型，利用3D射线追踪获得每一网格点到各台站的最小到时和入射方向。根据目标压裂点的经纬度坐标，围绕地下目标压裂点设定微破裂向量扫描监测目标区域，将监测目标区域设定为1000mX1000mX600m，将压裂监测目标区划分为K个网格，每个网格的边长在10-20m为宜。监测目标区域越大则运算量则越大，因此可以根据压裂计划选择合适的扫描范围，在必要时可将扫描目标 区域扩大进行补算。根据压裂目标区的勘探结果，确定压裂目标区的地震波速度的三维分布,建立包括所述监测目标区和所述台站区域的三维速度模型。在对目标区进行压裂前通常需要对目标区进行勘探形成勘探结果用于制定压裂方案，所述的勘探结果包括声波测井数据、或勘探解释结果、或反演层数度数据以及其他任何可作为约束的信息，或者是上述数据的结合。根据三维速度模型和各台站的经纬度坐标利用3D射线追踪获得监测目标区内每一网格点k到各台站的最小传播时间的射线，进而得到最小到时和入射方向。所述入射方向包括入射角、方位角和倾角，所述k的范围为1-K。根据每一网格点k到各台站的最小到时形成走时表，为扫描计算各点的破裂能量释放做准备。步骤S50：用预监测数据消除固定频率噪音干扰。消除固定频率的噪音干扰，以压裂施工前各台站对背景噪音预监测数据，计算出各台站固定频率的震源噪音模型，将震源噪音反向模型与各台站的压裂监测数据叠加。固定频率的来源如附近正在生产的油井。步骤60：同步各台站相同时间段窗口指向网格点k的记录向量，旋转至入射方向并极性叠加获得网格点k的破裂能量。将各台站记录的监测数据以一定的时间长度划分为多个子时间段窗口，如本实施例以2.5分钟即150秒为一子时段,以采样点间隔为2ms计算，每个台站每个子时间段窗口可获得75000个记录向量。子时间段窗口的时间长度范围通常在60-300秒，可获得较好的精度和效率。根据一指定网格点k到各台站的最小到时同步各台站相同时间段窗口内的压裂记录向量，将各台站该时间段窗口内的多个记录向量旋转至网格点k到各台站的入射方向后叠加获得网格点k的破裂能量；所述叠加应考虑各台站记录向量的正负极性，各台站记录向量的正负极性可通过穷举所有正负极性的可能性取叠加的最大破裂能量时的组合获得，或者通过各台站记录向量的相关性分析获得，或者结合上述两种方式分析获得。关于记录向量的相关性分析属于现有的数学方法，在一般数学手册中均有记载。在叠加时应考虑记录向量的入射方向，即将记录样点的记录向量旋转至网格 点k的入射方向，以压制地表噪声，增强有用信号。同时还应考虑记录向量的极性即正负号问题，不能简单地叠加，这是由地下微破裂的剪切特性决定的。通过将各台站的多个记录向量极性叠加，可有效去除各种随机噪音的干扰，增强有效信号。在叠加前可再对各台站各子时段的数据进行一次质量检查，将干扰强烈的台站数据进行剔除，可更好的压制地表噪声干扰，方法与预处理阶段类似，可通过设定的阈值的方式进行质量检查。当某一台站该时间段窗口的监控数据记录向量表示的微破裂信号的均值大于设定的阈值时可认为其受到强烈的干扰将该台站剔除。将记录向量叠加的方式有多种，最常用的如Semblance叠加，本实施例以Semblance叠加为基础进行,具体公式如下：其中，fij为第i个台站第j个记录样点指向网格点k的记录向量，它的指向由地下网格点k的微震射线到记录台站的入射方向确定，F为归一因子，S(k)是向量极性叠加后的平方的集合，代表网格点k的破裂能量。M指台站数量，N指台站各子时段记录样点的数量。由于我们测量的多是地面速度，而速度的平方与能量成正比，通过矢量迭加网格点k到各台站记录的信号振幅的平方，并使用归一化因子F,即得出网格点k的破裂能量S(k)。F为适当的归一因子，用于适当校正每个台站的三个分量，以消除每个台站噪音的差距，以消除不同时窗的差别，以便不同长短时段的输出可比。在叠加时考虑向量的入射方向和极性，这是由地下微破裂的剪切特性决定的,即地下微破裂，无论是天然地震或油气生产诱发的破裂，包括压裂破裂，绝大多数是剪切滑动或具有剪切成分。剪切破裂的特征是既有直达纵波（P波）、也有直达横波（S波）的产生与传播，且通常S波振幅大于P波振幅。剪切破裂信号的另一个重要特性是，无论那个分量，各台站观测到的初动极性一般不同。对于P波，我们不知道剪切破裂的走向、倾向和倾角，故将所记录的台站波动 向量旋转至入射方向，叠加各入射向量，以压制地表噪声，增强有用信号。对于S波，由于不知其最大振动方向，可分别使用其分量SV和SH来获得空间的破裂释放能量分布。这里，SV和SH分别为射线平面内的和垂直射线平面的横波,它们的合成即是S波。接收点处P、S、SH和SV波的定义如图1所示。每种波的向量叠加均涉及正负号问题，即指向或背离入射方向，不能简单地叠加，而应对所有的可能性叠加取最大能量的组合，并输出相应的台站向量正负极性分布，这也是目标区破裂机制在地表的反映。对任一台站、任一时刻其指向地下空间一点的破裂振动向量只能指向或背离目标点两种情况，即正相（+）或负相（-），由于采用向量相叠加后的平方，如[+,+,-]的叠加输出结果与[-,-,+]的输出结果一致，这样对于一个M个台站的台网，为确定各台站正负极性分部的叠加试算的总次数为2M—1，故计算量极大。可替换的方法是，在叠加前对所有向量记录进行相关分析，或结合使用上述两种方法。在油田的地表监测中，通常不能直接“看到”有用破裂信号，但只要各波动向量的随机噪声信号中含有有用信号，各向量就有一定的相关性，在相关分析中同时就确定了它们在叠加中的正负号，也即破裂机制。步骤S70：对各网格点重复步骤S60则获得监测目标区该时间段窗口所有网格点的破裂能量的三维扫描分布。步骤S80：针对不同时间段窗口重复步骤S60、S70则获得多个时间段窗口的破裂能量的三维扫描分布，得到监测目标区破裂能量的四维扫描分布。步骤S90：对扫描结果进行解释获得裂缝带的长度和走向。利用能量最大值的空间分布及能量的梯度变化对地下破裂点定位，通过设定阈值对扫描结果进行过滤，对大于设置的阈值的网格点可认为是有效的破裂点。所述的阈值可设置为所有网格点最大破裂能量值的60%～70%将不同时间段窗口破裂能量的三维扫描分布合并，用不同时间段窗口破裂能量的三维扫描分布中相同网格点k的最大破裂能量值表示网格点k的破裂能量，由大于设置的阈值的网格点k组成的有效的破裂点的最大区域，可确定压裂主裂缝的长度和走向。对于目标压裂点远处的有效的破裂点与目标压裂点近处的有效的破裂点之间有明显的低值带相隔的，即可认为它们不连通，不属于有效的压裂裂缝。将不同时间段窗口破裂能量的三维扫描分布进行比较，可确定主裂缝随时间的变化，各破裂点的先后顺序和走向，对后续的压裂施工有重要的参考意义。以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理和构思的前提下，还可做出若干简单推演或替换，都应视为属于本发明的保护范围。例如基于其中基本思路和处理方法，即“针对任何辐射或反射信号微弱的目标，如隐形飞机、太空中的电磁波辐射源、地下微破裂等，同样可以使用监测阵观测，针对某些物理参数，经适当数据处理后，影像目标的时空分布”，可以被应用到很多领域，如水下潜艇监测、市政等工程施工前的地下岩土体内的结构和目标非必要开挖的估计、考古和刑侦开挖取证前的估计等。