改進的微震事件反演重定位方法及其應用

毛慶輝,王彥春,王 鵬,張旭亮,桂紅兵

(1.中國地質大學(北京)地球物理與信息技術學院,北京100083;2.教育部油氣資源與勘探技術重點實驗室,長江大學,湖北武漢430100;3.中國石油集團東方地球物理勘探有限責任公司采集技術支持部,河北涿州072751;4.中海油田服務股份有限公司物探事業(yè)部,天津300451)

改進的微震事件反演重定位方法及其應用

毛慶輝1,王彥春1,王 鵬2,張旭亮3,桂紅兵4

(1.中國地質大學(北京)地球物理與信息技術學院,北京100083;2.教育部油氣資源與勘探技術重點實驗室,長江大學,湖北武漢430100;3.中國石油集團東方地球物理勘探有限責任公司采集技術支持部,河北涿州072751;4.中海油田服務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,基于微震事件準確定位的裂縫成像結果可以為評價壓裂施工效果、調整壓裂設計和確定致密油氣藏的開發(fā)方案等提供有效指導。為此,基于前人的研究成果,提出了改進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合的思路,先對微震事件進行帶極化分析約束的常規(guī)反演定位,再將走時殘差目標函數(shù)加入空間約束項,對常規(guī)反演結果進行重定位。將常規(guī)方法和改進的方法應用于實際資料的微震事件反演定位并作裂縫成像,分別對壓裂井中目的層段裂縫發(fā)育的走向、傾角、大小進行了描述,分析對比兩種方法解釋的裂縫形態(tài),改進方法的成像結果成窄帶狀,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)測技術是近年來迅速發(fā)展起來的、監(jiān)測致密含油氣儲層改造效果的油藏地球物理技術,在非常規(guī)油氣勘探開發(fā)中具有廣闊的應用前景[1-3]。對微地震資料進行處理、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],用于評價壓裂效果、調整壓裂設計和井網布置,并對下一步開發(fā)提供有效指導,從而提高致密油氣藏的產能[7-9]。

國內已有多個油田開展了水力壓裂微地震監(jiān)測的應用試驗,研究重點是微地震資料處理、解釋中如何對微震事件的震源位置進行準確的反演定位[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微地震資料進行反演,該方法具有計算速度快的優(yōu)點,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]提出基于走時擬合的震源定位方法。這些方法都是僅僅基于波至旅行時約束的反演,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系。Eisner等[15]指出，由于井下檢波器組排列幾何特點的限制,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]提出基于多個微震事件位置約束的改進定位方法,認為空間約束項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合的微震事件反演重定位改進思路,即先對微震事件用帶極化分析約束的網格搜索法進行常規(guī)定位,然后再將走時殘差函數(shù)加入空間約束項,對常規(guī)反演結果進行重定位。

1 方法原理與實現(xiàn)步驟

在水力壓裂微地震監(jiān)測中,震源(即微震事件)位置和絕對發(fā)震時間均未知,但可利用微震事件到達各個檢波器的相對旅行時間對其進行反演定位[17],并結合多參數(shù)等先驗信息約束微震事件反演定位的精度[18]。從數(shù)學觀點來說,震源定位問題的實質是求觀測走時和理論走時之差所構造的目標函數(shù)的極小值。由于對目標函數(shù)的構造、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殘差的常規(guī)微震事件反演定位方法原理和基于走時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,構造的目標函數(shù)主要是基于走時殘差,即實際觀測時差與理論時差之差(雙差之差)的平方和,通過極化分析約束下[15]的網格搜索法反復搜索迭代,直到目標函數(shù)達到最小值,此時其所對應的變量值則為最優(yōu)解。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

常規(guī)微震事件反演定位方法的實現(xiàn)步驟如下：

1) 設定搜索范圍及其步長。以射孔井段中心點為中心,依據(jù)實際情況分別給定x,y,z方向的搜索范圍(設定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) 輸入某個微震事件的初至、檢波器坐標、速度模型和初始震源坐標(x,y,z),令x=xmin,y=ymin。

3) 極化分析約束搜索方向。計算上述震源坐標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),則進入下一步,令z=zmin;否則令y=y+Δy。在y+Δy基礎上判斷y,若y

4) 若z

5) 構造目標函數(shù)。依據(jù)公式(7)建立并計算目標函數(shù)Q。

6) 求取目標函數(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,輸出目標函數(shù)為最小值時所對應的坐標(最優(yōu)解),即微震事件的位置。

1.2 改進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造的目標函數(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(xc,yc,zc)波傳播的時間;n為從(x1,y1,z1)到(xc,yc,zc)所經過的層數(shù);j為層號(其中j=1,2,…,n);vj為第j層所對應的層速度;λ是加權因子,可根據(jù)空間約束部分所占比重進行取值。

改進的微震事件反演定位方法的具體實現(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,并求取其中心點坐標。

2) 進行常規(guī)微震事件反演定位步驟1)至4)。

3) 構造重定位的目標函數(shù)。依據(jù)公式(8)建立并計算目標函數(shù)Q。

4) 進行常規(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。

改進的微震事件反演重定位方法的實現(xiàn)流程如圖1所示。

圖1 改進的微震事件反演重定位方法流程

2 實際資料應用效果分析

采用某油田實施水力壓裂時采集的實際微地震監(jiān)測資料驗證本文所提出的改進方法的有效性。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)轉換成標準SGY數(shù)據(jù);然后作濾波處理。圖2a是壓裂前對目的層射孔時采集的射孔記錄;圖2b是目的層段頂層壓裂時采集的三分量微震記錄,10個檢波器共有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,不易識別,這些道均是Z分量記錄,因此不對Z分量進行拾取。

圖2 射孔記錄(a)和頂層壓裂時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個檢波器初至先到,與實際觀測方式相符。對實際微震記錄應用軟件自動識別微震事件,并從中挑選出179個高品質事件進行初至拾取。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別。如圖3c和圖3d所示,某個微震事件中10級檢波器的X分量和Y分量的縱波初至幾乎無法識別,而橫波初至較易識別和拾取,由此可得到微震事件初至時間。

接著建立反演所需的速度模型。因為壓裂井和監(jiān)測井相距較近且橫向速度變化不大,可以對研究區(qū)目的層段建立層狀地層模型。圖4為依據(jù)地質分層資料建立的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、橫波速度經驗公式得到初始速度模型數(shù)據(jù),利用射孔初至時間進行射孔反演并標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)測資料的實際情況,以橫波時間為核心構造目標函數(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研究區(qū)資料的179個微震事件進行常規(guī)反演;在此基礎上通過公式(7)和公式(9)求解公式(8),采用本文提出的改進的微震事件反演重定位方法再對179個微震事件進行反演。圖5為兩種方法反演結果在水平面上的投影圖及側視圖。對比圖5a和圖5c可以看出,改進的微震事件反演結果(圖5c)比常規(guī)微震事件反演結果(圖5a) 更加收斂,成窄帶狀;對比圖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多個震源聚集成的裂縫成像,實際是根據(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。對兩種反演定位結果進行裂縫解釋,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果(圖5a)的方位擬合方程為y=0.3007x+212.85(圖6a),改進的微震事件反演重定位結果(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果的平面擬合方程為-0.0007x+0.0008y+0.0098z=1(圖7a),改進的微震事件反演重定位結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,計算震源點到裂縫面的距離,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的分析結果一致。兩者的裂縫走向與研究區(qū)地應力方向NE67°基本一致。因為在壓裂期間目的層段的地應力場會被破壞,所以解釋結果與地應力方向有一定誤差也是符合實際情況的。

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果(a,b)和改進的微震事件反演重定位結果(c,d)對比(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果(a)和改進的微震事件反演重定位結果(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果(a)和改進的微震事件反演重定位結果(b)的平面擬合

表2 研究區(qū)目的層段壓裂裂縫解釋結果

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改進的反演重定位方法294．5137．115．05．6NE76．6

3 結束語

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

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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,研究方向為水力壓裂微地震資料處理與解釋、轉換波靜校正和疊后儲層預測。

國家高技術研究發(fā)展計劃(863計劃)項目(2013AA064201)和中國石油天然氣集團公司“非常規(guī)油氣物探關鍵技術研究”項目(2014A-3612)聯(lián)合資助。

P631

A

1000-1441(2015)03-0359-08

10.3969/j.issn.1000-1441.2015.03.016