基于阵列反褶积处理的水力压裂监测方法
【专利摘要】本发明应用于页岩气、致密砂岩气、地热等地下资源的开发，提供一种监测由水力压裂导致的岩石破裂的方法，包括：用阵列反褶积处理，得到微地震震源机制相关散射系数和震源到各检波器的格林函数；将获得的格林函数延拓或者偏移，得到发震时间段的地下监测区域伪波场；通过该波场最大能量的变化拾取微地震震源空间位置；根据震源位置和震源机制相关散射系数搜索震源机制的矩张量，可用于分析震源机制。本发明可获得压裂产生的微地震的位置和震源机制。
【专利说明】基于阵列反褶积处理的水力压裂监测方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及地震勘探领域，应用于石油天然气和地热资源的勘探开发。具体地讲，本发明用于监测由水力压裂岩石形成的微地震，测量岩石破裂的空间位置和破裂机制等参数。
【背景技术】
[0002]近二十多年来，随着人类对能源需求的增长和科学技术的不断发展，水力压裂方法已经广泛的应用于页岩气、致密砂岩气、地热、等地下资源的勘探开发。水力压裂是指将高压流体(水、二氧化碳或其他混合流体)压入富含资源的地下岩层，使的岩石破裂扩大岩石原有的裂隙系统或形成新的裂隙系统，以便资源的析出、释放。这些岩石破裂即定义为微地震。相对天然地震，这种由压裂导致岩石破裂的能量和岩石的位移都很小，但是这些能量仍然能被地震检波器监测到。微地震发生的时间空间顺序，能量大小，震源机制等信息是估计裂隙系统改造，压裂施工等技术环节的重要参考指标。
[0003]地震学的方法技术是实现微地震监测的唯一有效手段，基本原理是:岩石破裂发生的地震波被布置在地表或监测井中的地震检波器观测到；结合监测区域的地震波速度结构，通过分析记录到的波形特征，得到微地震的震源位置和震源机制。与传统勘探地震学相t匕，微地震是非主动源，其发震时刻与位置都未知。虽然天然地震有非常成熟的方法求解震源位置和震源机制，但是，由于微地震监测的高精度要求，天然地震学的方法无法直接用于微地震监测。
[0004]微地震监测有两个最基本的目的:一是确定微地震发生的空间位置，又称为微地震定位，二是震源的的破裂机制(张裂，走滑，还是闭合)。目前，微地震定位的技术方法主要有两个，有各自的优点也有一些缺陷。一种方法是拾取微地震首波在各检波器的到时，根据给定的速度模型，反演震源位置。这种方法非常依赖到时拾取的精度，通常是人工拾取，不便实现自动化定位。另外一种方法是将检波器记录的地震波向监测区域延拓或者偏移，拾取能量最大位置作为震源。这种方法对爆炸机制的源的定位非常有效，而微地震震源能大多是双力耦(double cuple)或非线性的，导致这种方法有一定的局限性。
[0005]本发明提供一种方法，包括用阵列反裙积(array deconvolution)测量震源到检波器的格林函数(Green function)和震源机制的散射系数(Radiation parameter)的，并用这些测量结果计算微地震的震源位置和震源机制。
【发明内容】
[0006]本发明提供的阵列反褶积处理技术是用来测量震源到检波器的格林函数和震源机制的散射系数，其中包括:选定包含微地震事件的时窗；截取各检波器对应时窗的记录；计算各记录的功率谱；功率谱归一后求的台阵平均功率谱估计；计算地震子波反褶积滤波因子；用各检波器的地震记录褶积反褶积滤波因子；从而估计格林函数和散射因子。本发明的核心技术是阵列反褶积处理提取格林函数和散射因子，其理论基础如下。[0007]如图1所示，微地震(02)发生在rs，其矩张量为M，其P波首波被位于rK检波器
(01)接收到，则波形为:
[0008]
【权利要求】
1.一种基于阵列反褶积处理的水力压裂监测方法，包括以下步骤: (I)对监测台网的数字地震记录进行常规的处理包括滤波、去零漂等，获得高信噪比记录，再应用STA/LTA或波形互相关方法等方法，截取含有微地震事件波形的记录； (II)采阵列反褶积方法处理从各检波器截取的含有微地震波形的记录，得到微地震震源到各检波器的散射因子和归一化后的格林函数； (III)以步骤(II)测量得到的归一化后的格林函数作为伪地震波场，采用地震波场的偏移或延拓等方法，计算得到微地震发生时间段震源附近的地震波场； (IX)根据计算得到的微地震发生时间段震源附近的地震波场，搜索最大振幅，拾取发震时刻和震源位置； (X)从地震矩张量解的理论取值范围中逐个计算理论的散射因子，并与步骤(II)中用阵列反褶积处理得到的散射因子进行比较，通过理论计算值与实际观测值之间的一致性，扫描搜索微地震矩张量的最佳解； (XI)对下一段微地震记录重复进行步骤(1)至步骤(XI)的操作。
2.根据权利要求1所述的一种基于阵列反褶积处理的水力压裂监测方法，其中，步骤(I)包括以下特征:用包括去零漂、去直流、去线性趋势、滤波等常规数字信号处理技术处理波形数据，以提高地震数据的信噪比； 用STA/LTA短长时窗平均能量比的方法、波形互相关方法、或其他方法检测记录中是否含有微地震事件；如果在该时窗内不存在微地震事件，则到下一段地震记录重复步骤(I); 如果存在微地震事件，以统一的时窗T (tn，tn+1)，截取完整微地震波形，得到I个微地震波形数据； 特别说明，如果微地震监测仅采用的是井中监测系统，则还要采用偏振分析方法三分量地震记 录转换到P-SV-SH坐标系，即将3D定位问题转化为更简单的在地震波传播平面内的2D定位问题，再按照步骤(1)开始实施。
3.根据权利要求1所述的一种基于阵列反褶积处理的水力压裂监测方法，其中，步骤(II)包括以下特征:利用各个检波器波形记录的功率谱或者自相关函数来估计微地震地震子波的归一化功率谱或者归一化自相关函数；采用最小二乘反褶积、维纳反褶积、或其他反褶积方法，计算反滤波因子；将反滤波因子褶积各检波器记录；该褶积结果的归一化因子即散射系数，归一化后的结果即从震源到检波器的格林函数。
4.根据专利要求I所述方法的步骤(II)或专利要求3所述特征，其中，以各检波器波形功率谱来计算散射系数和格林函数的包括以下步骤: a)采用法包括直接用波形的傅立叶变换和该变换的共轭相乘、最小二乘法或其他方法来估计时窗T (tn，tn+1)波形数据的功率谱； b)将归一化的功率谱U【nUPz:求平均，可计算得到地震子波的平均估计/、中(CnSin) (II) (CnSin)2子。子波、平均估计的表达式是< ⑷((O] ? Σ h y )..c)采用最小二乘反褶积、维纳反褶积或其他反褶积方法，用地震子波的平均估计<[%(,)%.(,)]来计算反褶积滤波因子W⑴； d)用反褶积滤波因子W'(t)褶积微地震波形数据<?得到未归一的格林函数gin/ ⑴; e)求未归一的格林函数gin'(t)的归一化因子:|gin' (m) I = Max(|gin/ (t) |)； f)求从震源rSn到rKi第i个检波器的格林函数:gin(t)= gin/ (t)/gin/ (m)。
5.根据权利要求1所述的一种基于阵列反褶积处理的水力压裂监测方法，其中，步骤(III)包括以下 特征: 将权利要求1所述方法中步骤(II)计算得到的从震源到各检波器的格林函数作为伪地震波场； 采用地震波场的偏移和延拓方法，包括Kirchhoff偏移，有限差分偏移，逆时偏移等偏移方法，将伪地震波场偏移到监测区域，获得微地震发生时间段在震源附近的地震波场。
6.根据权利要求1所述方法的步骤(III)和权利要求5所述方法的，其中，以Kirchhoff偏移方法为例，包括以下特征: g)以均匀或非均匀网格建立对监测区域P波速度结构，或者建立包含各向异性特征的P波速的结构； h)计算各网格点r(Xp, yP, Zp)到各检波器rKi的距离rP,Ki,地震射线倾角iP,Ki和方位角小 P, Ri ; i)采用包括Snell定律做射线追踪，用有限差分、或FMM等方法，计算各网格点r(xP，yP，Zp)到各检波器rKi的地震波走时TKi,P ； j)假设网格点r(xP，yP, Zp)是微地震震源，在时间段T(tn，tn+1)内，该网格点的伪地震波场振幅变化为F [r (\，力，)，?] = X-0^ lp- gin (t + Tri p )。UVrP,Ri k)对监测区域每一个网格都按照步骤j)实施，就得到了监测区域的伪地震波场F(r，t)。
7.根据权利要求1所述的一种基于阵列反褶积处理的水力压裂监测方法，其中，步骤(IX)包括以下特征: 将权利要求1所述步骤(III)或权利要求4或权利要求5所述方法获得的监测区域的伪地震波场F (r，t)，进行包括逐个网格点比较等方法获得最大值Max (I F(r，t) |)，该最大值对应的时刻和空间位置即震源发震时刻tsn和震源位置rsn。
8.根据权利要求1所述的一种基于阵列反褶积处理的水力压裂监测方法，其中，步骤(X)包括以下特征:将以mNN，mNE，mNZ，mEE，mEZ，mzz张成六维网格化空间，包括等间距或非等间距，Hlij的取值区间可以选择[_1，1]或者其他取值范围； 对每一个格点，例如m' NN, m/ NE, m/ NZ, m/ EE, m/ EZ, m/ zz,计算第i个检波器其理论散射系数，包括公式
【文档编号】G01V1/30GK103926620SQ201410193224
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2014年5月9日 优先权日:2014年5月9日
【发明者】王攀, 王良书 申请人:南京大学