基于高采样小区域多感知响应的页岩压裂三维定位方法与流程

本发明涉及一种基于高采样小区域多感知响应的页岩压裂三维定位方法，属于地震勘探。

背景技术：

1、目前，页岩裂纹三维定位技术主要包括基于横纵波反射反演技术和基于波速的射线追踪的成像技术，国内外学者对此作了诸多研究。

2、横纵波反射反演技术需要建立反射、透射系数随入射角变化的矩阵，多为非线性问题。线性反演方法的实质是利用近似公式将非线性问题做线性化处理，再进行矩阵求解。由于压裂区的强噪声干扰，这样导致了反射信号的信噪比非常小，易受首波和导波的干扰，难以对接收到的横纵波做准确的分析。同时声波在不均匀介质中传播，会随着传播路径形成声波的反射和折射，在此过程也会带来能量的损失，以上方法绝大部分均以浅层地球岩石识别的理想模型情况进行定位分析，故在实际情况中会存在计算量大、定位精度差等问题。

3、通过波速的射线追踪方法成像范围远远大于压裂区，受地面感知点离散程度大、压裂位置距感知点之间的岩石分布的影响及路径数量限制，导致定位模型的波速差异性较大，难以进行速度重构，这种重构完成适应于地层分析，而将其技术应用在定位分析显得复杂，直接影响压裂区试验时差同步性和工作效率，最终影响算法的速度场计算及定位精度。因此，基于波速的射线追踪技术仅局限于岩石压裂实验室研究及浅层工程地质结构研究。

4、综上，当前页岩裂纹三维定位需要解决的问题有：第一，解决基于区域广的离散感知点时差基准的时差精度低的问题；第二，解决区域广的离散感知点定位算法的欠定及多值问题，从而解决定位坐标的不确定性；第三，解决基于区域广的离散感知点的波速差异问题，现有解析方法都需要预先给定波速值，事实上很多定位系统的波速值是未知或者难以准确测量到的。以上问题影响了页岩裂纹三维定位技术的实现。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明目的是提供一种能够对压裂震源进行精度较高的空间位置预测的基于小区域和多感知的页岩压裂三维定位方法。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案如下：一种基于高采样小区域多感知响应的页岩压裂三维定位方法，其包括如下步骤：

3、步骤1：选用合适传感器并进行小区域布置；

4、步骤2：按照步骤1，在试验测试场地放置n个传感器(n>＝4)；

5、步骤3：利用传感器接收页岩压裂产生的信号；

6、步骤4：对步骤3中各传感器的响应信号进行高采样，得到传感器各响应信号对应的高采信号；

7、步骤5：利用aic算法成对步骤4的高采信号进行到时提取，求取各传感器接收压裂信号的到时时差；

8、步骤6：通过各传感器的位置坐标结合时差数据得定位方程组，求解方程组可得压裂点的位置坐标。

9、进一步的，所述步骤1中，传感器选用具有低频响应性能，频响为10hz以下，灵敏度大于80/(v·(m·s-1)-1)的低频检波器。

10、进一步的，所述步骤2中，设圆形小区域的圆心o点布置的传感器坐标为ro(xo,yo,zo)，其他传感器的坐标为ri(xi,yi,zi)，i＝1,2,…n；各个传感器的布置满足以下条件：

11、

12、

13、其中：r为o到任意传感器ri之间的向径距离，l为压裂源与传感器ro之间的距离，vmin为裂纹信号在页岩层的最大传播速度，fs为采样频率；n为布置的传感器总数量；

14、由上可以得到向径距离r，传感器之间距离sr，进而实现圆形小区域的传感器布局。

15、进一步的，所述步骤4中，定义抽样脉冲序列为δt(t)如下式所示：

16、

17、利用δt(t)对页岩压裂产生的信号xi(t)，i＝1,2,…n，按照下式进行冲激抽样得到高采信号xs(t)：

18、xs(t)＝x(t)δt(t)

19、其中n∈n*，ts为每个冲激之间的时间间隔。

20、进一步的，aic算法的具体步骤为：

21、(1)对步骤4得到高采信号整体遍历计算其aic值，得到aic曲线，表示如下：

22、aic(k)＝k·log(var(r(1,k)))+(n-1-k)·log(var(r(1+k,n)))

23、其中：

24、k——代表遍历所有的采样点，k＝1,2,3…n；

25、var(r(1,k))，var(r(1+k,n))——表示两个窗口内数据段的方差；

26、n——高采信号的数据点数；

27、var——序列的方差函数，var(r(1,k))为时间序列中第1个到第k个参数点的方差；

28、(2)根据下式取aic的最小值：

29、tinitial＝x_arg(min(aic))

30、(3)对传感器r1-rn采集的响应信号重复进行上述(1)-(2)步操作，可分别得到每个传感器感知到压裂信号的初至时刻ti(i＝1,2,3,…n)，记传感器r1是第一个接收到信号的传感器；

31、(4)传感器之间的时差分别是：

32、

33、其中i代表传感器的编号，i＝1,2,3,…n。

34、进一步的，所述步骤6中，设各传感器的位置坐标为ri(xi,yi,zi)，单次定位需要m个传感器来完成，则测试定位总次数应为多次定位相互修正压裂位置坐标s(x,y,z)；基于步骤4中确定n个传感器接收压裂信号的初至时刻ti(i＝1,2,3,…n)，利用定位方程组完成压裂点s(x,y,z)的定位。

35、更进一步的，求解压裂震源点位置的步骤包括：

36、(1)压裂源到各传感器的距离为：

37、

38、式中：t1为压裂源到第一个传感器的走时，ti代表压裂源到第i个传感器的走时，d1～dm是压裂源到编号为1～m传感器路径距离，v1～vm为该路径中的声波波速；

39、(2)差分处理；即上式中的第2个到第m个式子减去第一个式子，可得到m–1个方程的方程组，如下所示：

40、

41、其中di2-d12＝vi2ti2-v12t12，i＝1,2…m；

42、(3)小区域速度等效；波速可近似为等常量，即v1≈v2≈…≈vn≈v，基于波速等效的思想有：

43、di2-d12＝v2(ti2-t12)

44、又声源到第i个传感器的距离与到第1个传感器的距离之差δdi,1为：

45、δdi1＝di-d1＝v×ti1

46、其中：ti1表示压裂源到传感器i的时间与到传感器r1的时间之差；

47、结合上述两式，步骤(2)中方程组可写为：

48、

49、整理可得：

50、

51、(4)矩阵求解压裂源坐标；把上式写成矩阵形式如下：

52、ax＝αd1+β

53、其中：

54、

55、求解方程ax＝αd1+β，取其正根，可得到压裂震源点的位置坐标s(x,y,z)。

56、本发明的有益效果是：

57、(1)本发明对于页岩裂纹的定位以及裂纹扩展状态和趋势的研究可极大支持石油、天然气、页岩气等开采，对缓解我国能源紧张问题具有重要的意义。

58、(2)本发明仅研究压裂点和传感器位置之间的关系，克服了基于浅层岩石的波速特性分布的传统三维定位方法，能够有效地区别以往的分析定位技术。因本专利解决了背景技术中的三大难点问题，这样可快速地实现页岩裂纹的定位以及裂纹扩展趋势的评估，很大程度上提高了定位效率和定位精度。

59、(3)本发明提出的定位技术无需研究地层结构对定位的影响，具有定位技术的针对性研究特点，能够提高地球物理公司的市场竞争力，可为公司带来巨大的经济效益和社会效益。