一种适用于水力压裂微震震源定位的方法与流程

该发明属于石油勘探地球物理压裂地震数据处理方法领域，尤其涉及水力压裂震源定位。
背景技术：
：在我国，新油田的发现越来越困难，老油田开发利用率不高，低渗透油田或超低渗透油田储量丰富，另外页岩气的开采力度也越来越大。水力压裂是一种比较实用的增产方法，这个过程中就涉及到压裂监测的问题。微震监测水力压裂项目实施时，随着压力增加，当超过岩石承受极限时破裂，产生地震波。破裂形成的裂缝在地下，很难通过直观手段进行观测得到裂缝空间位置以及形态，具体表现在裂缝的高度、长度、宽度、延伸、方位，而这些裂缝参数正是压裂技术人员和采油公司想知道的，通过监测以上参数可以保证油气开产过程中的安全性，也可以即时改变压裂参数和方案，最终实现稳产和高产的目的。微震监测是一种有效的裂缝监测技术，与其他裂缝监测方法相比，监测结果准确，信息丰富。国内外学者对水力压力微震定位方法已做了大量研究，比较常用的技术是根据射孔和测井资料建立符合靶区的地质模型，然后求解出微震位置。微地震反演定位方面，在实际生产实践中，目前技术主要利用直达纵波的初至信息进行震源定位，在某些特定的观测系统下，会给定位带来很大误差。反演方法选取上，有一类方法通过震源和检波器位置关系建立方程组或对目标函数进行线性化，然后通过求解方程组来获取微震的真实震源位置，由于初至拾取误差和检波器排列等影响，结果往往不能收敛或定位精度差；另外一种比较有代表性并且运用于商业化的微震定位软件主要选取直接或者快速网格搜索算法，该方法当监测区域范围比较大时，计算效率低，而且定位精度与网格大小有关。因此，有必要对微地震震源定位方法进行深入研究，提高定位精度。技术实现要素：本发明的目的在于为了克服以上所述存在的问题，提供一种适用于水力压裂微震震源定位的方法，以提高水力压裂过程中微震源的定位精度。本发明的适用于水力压裂微震震源定位的方法，包括以下步骤：(1)建立微震监测的观测系统，其中坐标和线道号参数通过现场获取，同时利用常规声波测井或全波列测井得到声波资料和密度曲线，结合测井资料在层状介质假设下构建初始速度模型；(2)在建立微震监测的观测系统后，分析研究区域地层条件和射孔记录，根据背景干扰频率低、微震信号频率高、持续时间短的特点确定背景干扰和微震信号，对压裂过程中的记录进行常规的预处理，然后采用频率域滤波进行压噪处理，最后用长短时窗能量比法对去噪后有效微震信号进行初步波形识别；(3)根据确定的射孔位置和时间，采用人工干预方法识别射孔记录，利用初至自动拾取和人机交互方法对直达纵横波的初至走时进行拾取，在步骤(1)构建的初始速度模型约束下改变每层的厚度和速度，对速度模型进行校正；而其他在压裂过程中被记录识别到的有效事件用于震源的反演定位，利用同样的方式获取纵横波初至走时；(4)在利用纵波走时的基础上，由测井获取得到了横波速度，此时加入横波走时信息，结合校正后的速度模型，利用纵波走时和横波走时同时约束进行微震震源定位，反演采用全局搜索和局部搜索相结合的方法，包括：①根据水力压裂段的位置坐标，确定震源定位搜索范围；②初始化震源参数，输入检波器坐标和步骤(3)中拾取到的纵横波走时信息，在搜索范围内，随机产生一个点作为反演初始震源点，并正演计算纵波走时和横波走时，公式如下：T=Σi=1m+1li/vi=Σi=1m+1[(xi-xi-1)2+(yi-yi-1)2+(zi-zi-1)2]1/2/vi---(1)]]>其中m表示检波器(xm+1,ym+1,zm+1)和假设震源点(x0,y0,z0)与建立地层模型交点个数，(xi,yi,zi)(i～m)为上述交点的空间坐标，vi表示射线段对应的地层横波或者纵波速度；③建立并计算目标函数：F=Σi=1n((Tscal(i)-Tpcal(i))-(Tsobs(i)-Tpobs(i)))2---(2)]]>其中，Tscal(i)、Tpcal(i)分别为根据已知模型和②中假设点正演计算得到的横波走时和纵波走时，Tsobs(i)、Tpobs(i)分别为通过步骤(3)获取到的各检波器对应的横波和纵波时间值，n为检波器个数，在目标函数中加入横波信息可以提高定位结果的精度；④然后判断根据公式(2)计算的目标函数值是否满足预先给定的精度，如果满足，则转到⑦，否则，进入下一步；⑤设定模拟退火搜索迭代终止条件，采用能找到全局极小值的模拟退火法进行全局搜索，利用公式(1)计算走时，利用式(2)计算目标函数，每次迭代过程中都判断是否满足模拟退火终止条件，如果满足，则进入下一步；⑥设定模式搜索算法的迭代终止条件，以模拟退火的输出结果为初始输入模型，然后用模式搜索算法进行局部搜索，采用基于正交基的模式搜索法，模式为：Pk＝BCk(3)其中，k表示迭代次数，B为模式的基矩阵，为一非奇异矩阵，Ck为一个生成矩阵，Pk为计算得到的模式矩阵,通过当前点和模式计算新的搜索点的目标函数值，如果新搜索值的目标函数小于前面所有点的目标函数，则通过(3)式重新修改模式，继续新的搜索，直到进行完所有的模式搜索，最后判断定位结果精度是否满足，如果满足，则进入⑦，否则，返回到步骤⑤中，重新进行全局搜索；⑦定位结果是否满足实际地质条件，如果满足，则输出微震震源位置。上述方案还包括：步骤(4)确定震源定位搜索范围为：深度范围选取上下100米，而平面范围为400米。上述方案进一步包括：步骤(1)所述的测井资料利用已有的常规声波测井得到声波资料。步骤(2)所述的射孔记录为采用聚能器进入井眼预定层位进行爆炸开孔让井下地层内流体进入孔眼时仪器记录到的振幅强的微震信号；步骤(2)中采用的压噪处理为带通滤波算法。步骤(3)中初至自动拾取为长短时窗比和基于信息准则相结合的方法。步骤(4)的横波速度从全波列测井、偶极横波测井或者研究区域经验公式获得。其中，长短时窗比的方法为公式(4)，STAi=STAi-1+CF(i)-CF(i-Nsta)NstaLTAi=LTAi-1+CF(i-Nsta-1)-CF(i-Nsta-Nlta-1)Nlta---(4)]]>式中，STAi和LTAi分别表示微震信号在i个采样点的短时平均值和长时平均值，CF(i)为记录在i时刻的特征函数值，Nsta和Nlta分别表示为短时平均时窗和长时平均时窗所包含的记录点数。AIC的拾取方法为公式(5)：A(i)＝ilg{var(x[1,i])}+(N-i-1)lg{var(x[i+1,N])}(5)式中，A(i)为要求的值，用于判断信号到达的初至。var(x[1,i])表示信号从第一个采样点到第i个采样点的方差。N表示选取信号的总采样点数。步骤(4)的正演计算纵波走时和横波走时采用迭代法射线追踪算法是，首先根据检波器、震源和地层关系，假定初始射线路径；然后利用费马原理推导出线性方程组的系数值，设定迭代终止条件，最后通过求解线性方程组，不断迭代计算节点，直到满足终止条件。本发明克服了单独利用纵波进行水力压裂微地震震源定位时，横向定位精度受初至拾取误差影响比较大的影响，利用了纵横波走时联合约束的反演方法进行微震定位，提高了反演的精度。另外，在反演的方法上，本发明采用全局搜索算法和局部搜索算法相结合的方法，避免了单独利用全局搜索算法计算量大和局部搜索算法容易陷入局部极值的影响，兼顾了定位精度和计算效率。无论是全局搜索还是局部反演算法，采用的都是完全非线性反演，特别适合微震定位这种非线性问题。附图说明图1为水力压裂微震源定位技术流程图；图2为正演纵波加入[-11]ms误差扰动下纵波目标函数等值线图；图3为正演纵横波加入[-11]ms误差扰动下纵横波目标函数等值线图；图4为某实际工区中测井资料和射孔记录约束建立的速度模型；图5为某记录压噪和有效事件识别结果；图6纵横波初至拾取结果；图7反演结果走时曲线和拾取走时曲线对比。具体实施方式下面从理论和实际应用两个方面具体说明应用步骤和效果。首先结合附图1，对本发明的流程、参数等做进一步说明：(1)建立微震监测的观测系统，获取测井资料和其他地震资料，建立初始速度模型；(2)调研分析研究区域地层条件和射孔记录，确定背景干扰和微震信号特点，然后对压裂过程中的记录进行压噪处理以及有效微震信号进行波形识别；(3)利用初至自动拾取和人工干预等方法对直达波的初至走时进行拾取，其中射孔记录的走时用于速度模型的优化，其他有效事件用于震源的反演定位；(4)在利用纵波走时的基础上，加入横波走时，利用纵波走时和横波走时同时约束进行微震震源定位，反演采用全局搜索和局部搜索相结合的方法，包括:①根据水力压裂段的位置坐标，确定震源定位搜索范围，提高反演效率的同时减少解的多解性；②输入检波器坐标和步骤(3)中拾取到的纵横波走时信息，在搜索范围内，随机产生一个点作为反演初始震源点，并正演计算纵波走时和横波走时，公式如下：T=Σi=1m+1li/vi=Σi=1m+1[(xi-xi-1)2+(yi-yi-1)2+(zi-zi-1)2]1/2/vi---(1)]]>其中m表示检波器(xm+1,ym+1,zm+1)和假设震源点(x0,y0,z0)与建立地层模型交点个数，(xi,yi,zi)(i～m)为上述交点的空间坐标，vi表示射线段对应的地层横波或者纵波速度；③建立并计算目标函数：F=Σi=1n((Tscal(i)-Tpcal(i))-(Tsobs(i)-Tpobs(i)))2---(2)]]>其中，Tscal(i)、Tpcal(i)分别为根据已知模型和②中假设点正演计算得到的横波走时和纵波走时，Tsobs(i)、Tpobs(i)分别为通过步骤(3)获取到的各检波器对应的横波和纵波时间值，n为检波器个数。在目标函数中加入横波信息可以提高定位结果的精度；④然后判断根据公式(2)计算的目标函数值是否满足预先给定的精度，如果满足，则转到⑦，否则，进入下一步；⑤设定模拟退火搜索迭代终止条件，采用能找到全局极小值的模拟退火法进行全局搜索，利用公式(1)计算走时，利用式(2)计算目标函数，每次迭代过程中都判断是否满足模拟退火终止条件，如果满足，则进入⑦，否则，进入下一步；⑥设定模式搜索算法的迭代终止条件，以模拟退火的输出结果为初始输入模型，然后用模式搜索算法进行局部搜索，采用基于正交基的模式搜索法，模式为：Pk＝BCk(3)其中，k表示迭代次数，B为模式的基矩阵，为一非奇异矩阵，Ck为一个生成矩阵。通过当前点和模式计算新的搜索点的目标函数值，如果新搜索值的目标函数小于前面所有点的目标函数，则通过(3)式重新修改模式，继续新的搜索，直到进行完所有的模式搜索，最后判断定位结果精度是否满足，如果满足，则进入⑦，否则，返回到步骤⑤中，重新进行全局搜索；⑦定位结果是否满足实际地质条件，如果满足，则输出微震震源位置。所述的测井资料为利用已有的常规声波测井或全波列测井得到声波资料。所述的射孔记录为采用特殊聚能器材进入井眼预定层位进行爆炸开孔让井下地层内流体进入孔眼时仪器记录到的振幅强的微震信号。所述的压噪算法为带通滤波算法，所述的事件识别为长短时窗能量比法，在经过背景噪音压制处理后，能够提高原始记录的信噪比，更加有利于微震有效事件的识别。所述的初至自动拾取为长短时窗比和基于信息准则(AIC)相结合的方法，其中，长短时窗比的方法为公式(4)，AIC的拾取方法为公式(5)：STAi=STAi-1+CF(i)-CF(i-Nsta)NstaLTAi=LTAi-1+CF(i-Nsta-1)-CF(i-Nsta-Nlta-1)Nlta---(4)]]>其中，STAi和LTAi分别表示微震信号在i个采样点的短时平均值和长时平均值，CF(i)为记录在i时刻的特征函数值，Nsta和Nlta分别表示为短时平均时窗和长时平均时窗所包含的记录点数。A(i)＝ilg{var(x[1,i])}+(N-i-1)lg{var(x[i+1,N])}(5)其中，A(i)为要求的值，用于判断信号到达的初至。var(x[1,i])表示信号从第一个采样点到第i个采样点的方差。N表示选取信号的总采样点数。所述的横波速度从全波列测井、偶极横波测井或者研究区域经验公式获得。所述的正演走时采用迭代法射线追踪算法：首先根据检波器、震源和地层关系，假定初始射线路径；然后利用费马原理推导出线性方程组的系数值；设定迭代终止条件，最后通过求解线性方程组，不断迭代计算节点，直到满足终止条件。基于上述方案的基础上，本次选用的理论模型中，检波器横坐标都为0m，深度从-2510m至-2660m，间隔为10m，共16级检波器，理论震源的位置为[300,-2722]m。当单纯利用纵波反演时，反演结果受初至影响较大。图2为正演纵波走时加入[-11]ms误差扰动下纵波目标函数等值线图。从图2中可以比较直观看到，目标函数的最小点基本在[350,-2750]m附近，图中用星形符号表示，然后利用所述方法反演方法但是没有加入横波信息时，通过P波走时单独反演时，结果为[348,-2743]m。图3为同时利用纵横波走时正演计算得到的目标函数值，同样对纵横波加入[-11]ms的走时拾取误差，此时，就可以完全按照所述方法进行纵横波联合反演，反演的目标函数定义为：Σi=1n((tscal(i)-tpcal(i))-(tsobs(i)-tpobs(i)))2---(2)]]>其中tscal(i)和tpcal(i)分别为正演计算得到的纵横波走时，tsobs(i)和tpobs(i)分别为观测到的纵横波走时。利用纵横波走时联合反演，结果为[299,-2728]m，在图3中用星形符号表示，可以看到，在相同拾取误差下，反演结果受初至影响较小，接近理论值，本发明的方法定位精度高。具体实施实例为使本发明的目的、技术方案更加清楚明白，下面结合附图和实例对本发明进行详细说明，图1为本发明的技术流程图。主要步骤如下：(1)建立微震监测的观测系统，获取测井资料和其他地震资料，建立初始速度模型；(2)调研分析研究区域地层条件和射孔记录，确定背景干扰和微震信号特点，然后对压裂过程中的记录进行压噪处理以及有效微震信号进行波形识别。根据该地区的微震信号分析和滤波参数实验后，发现40-400Hz的带通滤波参数能够去除低频干扰影响，保留有效的微震信号；(3)利用初至自动拾取和人工干预等方法对直达波的初至走时进行拾取，其中射孔记录的走时用于速度模型的优化，其他有效事件用于震源的反演定位，图4为利用射孔记录和测井资料约束共同建立的速度模型，图5为实际地震数据中通过压噪处理和波形识别后的某个有效微震记录，可以看到，该记录信噪比高，有利于初至的准确拾取；(4)在利用纵波走时的基础上，加入横波走时，利用纵波走时和横波走时同时约束进行微震震源定位，反演采用全局搜索和局部搜索相结合的方法:①根据水力压裂段的位置坐标，确定震源定位搜索范围，提高反演效率的同时减少解的多解性，本实例中，根据监测范围，横向上的坐标范围为[150600]m，纵向上的深度范围为[26502750]m；②输入检波器坐标和步骤(3)中拾取到的纵横波走时信息，其中走时信息如图6所示，在搜索范围内，随机产生一个点作为反演初始震源点，并正演计算纵波走时和横波走时，公式如下：T=Σi=1m+1li/vi=Σi=1m+1[(xi-xi-1)2+(yi-yi-1)2+(zi-zi-1)2]1/2/vi---(1)]]>其中m表示检波器(xm+1,ym+1,zm+1)和假设震源点(x0,y0,z0)与建立地层模型交点个数，(xi,yi,zi)(i～m)为上述交点的空间坐标，vi表示射线段对应的地层横波或者纵波速度；③建立并计算目标函数：F=Σi=1n((Tscal(i)-Tpcal(i))-(Tsobs(i)-Tpobs(i)))2---(2)]]>其中，Tscal(i)、Tpcal(i)分别为根据已知模型和②中假设点正演计算得到的横波走时和纵波走时，Tsobs(i)、Tpobs(i)分别为通过步骤(3)获取到的各检波器对应的时间值，n为检波器个数。在目标函数中加入横波信息有两方面作用，提高定位结果的精度和减少反演发震时刻信息；④然后判断根据公式(2)计算的目标函数值是否满足预先给定的精度，如果满足，则转到⑦，否则，进入下一步；⑤设定模拟退火搜索迭代终止条件，采用能找到全局极小值的模拟退火法进行全局搜索，利用公式(1)计算走时，利用式(2)计算目标函数，每次迭代过程中都判断是否满足模拟退火终止条件，如果满足，则进入⑦，否则，进入下一步；⑥设定模式搜索算法的迭代终止条件，以模拟退火的输出结果为初始输入模型，然后用模式搜索算法进行局部搜索，采用基于正交基的模式搜索法，模式为：Pk＝BCk(3)其中，k表示迭代次数，B为模式的基矩阵，为一非奇异矩阵，Ck为一个生成矩阵。通过当前点和模式计算新的搜索点的目标函数值，如果新搜索值的目标函数小于前面所有点的目标函数，则通过(3)式重新修改模式，继续新的搜索，直到进行完所有的模式搜索，最后判断定位结果精度是否满足，如果满足，则进入⑦，否则，返回到步骤⑤中，重新进行全局搜索，在本次实例中，采用基于最大正交基的模式搜索方法，最大搜索次数设为1000次；⑦定位结果是否满足实际地质条件，如果满足，则输出微震震源位置。所述的测井资料为利用已有的常规声波测井或全波列测井得到声波资料。所述的射孔记录为采用特殊聚能器材进入井眼预定层位进行爆炸开孔让井下地层内流体进入孔眼时仪器记录到的振幅强的微震信号。所述的压噪算法为带通滤波算法，所述的事件识别为长短时窗能量比法，在经过背景噪音压制处理后，能够提高原始记录的信噪比，更加有利于微震有效事件的识别。所述的初至自动拾取为长短时窗比和基于信息准则(AIC)相结合的方法，其中，长短时窗比的方法为公式(4)，AIC的拾取方法为公式(5)：STAi=STAi-1+CF(i)-CF(i-Nsta)NstaLTAi=LTAi-1+CF(i-Nsta-1)-CF(i-Nsta-Nlta-1)Nlta---(4)]]>其中，STAi和LTAi分别表示微震信号在i个采样点的短时平均值和长时平均值，CF(i)为记录在i时刻的特征函数值，Nsta和Nlta分别表示为短时平均时窗和长时平均时窗所包含的记录点数。A(i)＝ilg{var(x[1,i])}+(N-i-1)lg{var(x[i+1,N])}(5)其中，A(i)为要求的值，用于判断信号到达的初至。var(x[1,i])表示信号从第一个采样点到第i个采样点的方差。N表示选取信号的总采样点数。图6为根据所述方法拾取到的微震纵横波走时信息。所述的横波速度从全波列测井、偶极横波测井或者研究区域经验公式获得。所述的正演走时采用迭代法射线追踪算法：首先根据检波器、震源和地层关系，假定初始射线路径；然后利用费马原理推导出线性方程组的系数值；设定迭代终止条件，最后通过求解线性方程组，不断迭代计算节点，直到满足终止条件。定位效果如图7所述，实线部分表示利用所述方法拾取到的走时信息，其中前面的一条实斜线代表纵波走时信息，后面的一条实斜线代表横波走时信息，虚线表示利用所述方法拾取到的走时信息，其中前面的一条虚斜线代表纵波走时信息，后面的一条虚斜线代表横波走时信息，可以看到，二者基本重合，说明了本发明的有效性。当前第1页1 2 3