地面微地震監(jiān)測(cè)采集觀測(cè)系統(tǒng)定位精度的影響因素分析
——以大慶SZ探區(qū)為例

任朝發(fā),趙海波,陳百軍,馮程斌,張晟瑞

(1.大慶油田有限責(zé)任公司勘探開發(fā)研究院,黑龍江大慶163712;2.大慶油田有限責(zé)任公司采油工程研究院,黑龍江大慶163453;3.東北石油大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院,黑龍江大慶163318)

隨著非常規(guī)和低滲透油氣藏的勘探開發(fā),水力壓裂技術(shù)在儲(chǔ)層改造中起著舉足輕重的作用。微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)是評(píng)價(jià)水力壓裂效果和優(yōu)化儲(chǔ)層壓裂成本的關(guān)鍵技術(shù),已成為水力壓裂過程中的標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)[1-3]。最近十年來,憑借觀測(cè)范圍大、覆蓋次數(shù)高、可開展震源機(jī)制研究以及不影響油田正常生產(chǎn)活動(dòng)等優(yōu)勢(shì),地面微地震監(jiān)測(cè)得到了越來越廣泛的應(yīng)用,尤其是在壓裂井附近缺少監(jiān)測(cè)井的情況下,地面微地震監(jiān)測(cè)往往是更好的選擇[4-9]。

影響地面微地震監(jiān)測(cè)定位精度的因素很多,本文重點(diǎn)研究觀測(cè)系統(tǒng)的影響,其次對(duì)比分析噪聲壓制和速度模型校正的影響。目前,主流的地面微地震監(jiān)測(cè)的事件定位算法為震源掃描疊加算法或其變形算法[10-12],其需要高密度地面監(jiān)測(cè)臺(tái)站保證監(jiān)測(cè)的質(zhì)量。因此,采集時(shí)一般采用大范圍部署的地面排列(通常達(dá)到千道以上),如放射狀(星型)排列[6]。而國(guó)內(nèi)的地面微地震監(jiān)測(cè)主要有3種觀測(cè)系統(tǒng),即星型排列、網(wǎng)格排列和稀疏排列,但未見對(duì)這些觀測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析的文獻(xiàn)[13-15]。在大慶探區(qū)試驗(yàn)的地面微地震監(jiān)測(cè),3種觀測(cè)系統(tǒng)的采集方式都有采用,出于成本和施工效率等因素考慮,接收道數(shù)較少(通常為幾十道),噪聲壓制手段單一,速度模型準(zhǔn)確度粗糙,影響了定位精度和可靠性[16]。特殊情況下,資料中多數(shù)微地震信號(hào)可識(shí)別時(shí),采用幾十個(gè)接收道數(shù)的地面監(jiān)測(cè)可將微地震事件成像并得到較可靠的定位結(jié)果[17]。但是,由于大慶探區(qū)受較厚的第四紀(jì)疏松表層影響,地面監(jiān)測(cè)資料信噪比低、可識(shí)別的微地震信號(hào)極少,定位結(jié)果精度偏低。雖然壓裂監(jiān)測(cè)裂縫走向與主應(yīng)力方向基本吻合,但壓裂裂縫形態(tài)的解釋可信度較低,因此有必要進(jìn)行地面微地震監(jiān)測(cè)采集觀測(cè)系統(tǒng)、噪聲壓制和速度模型校正等方面的論證分析,為水力壓裂地面微地震監(jiān)測(cè)提供排列布設(shè)方案和資料處理流程指導(dǎo)。

CHAMBERS等[18]開展了利用地面觀測(cè)方式探測(cè)微弱信號(hào)的可探測(cè)性研究,在固定檢波器排列方式和個(gè)數(shù)條件下(800個(gè)接收道的八臂星型排列),分析不同信噪比時(shí)震源定位能力,表明地面監(jiān)測(cè)能成功地對(duì)原始數(shù)據(jù)中信號(hào)太弱以致不可見的微震事件進(jìn)行定位成像。與其研究不同的是,本文依據(jù)目前大慶探區(qū)試驗(yàn)的星型排列、網(wǎng)格排列和稀疏排列3種觀測(cè)方式,結(jié)合實(shí)際施工井的水平井軌跡、射孔位置、地面監(jiān)測(cè)噪聲和實(shí)際的測(cè)井速度等資料,通過正演研究,論證3種觀測(cè)方式在不同噪聲水平下對(duì)微震事件的定位能力與精度;并對(duì)比分析星型觀測(cè)系統(tǒng)在不同接收道數(shù)、相同接收道數(shù)不同接收孔徑(道間距)下的震源定位精度。另外,針對(duì)大慶探區(qū)地面微地震監(jiān)測(cè)中存在不需要采集校驗(yàn)信號(hào)的觀點(diǎn)以及噪聲壓制手段單一的問題,為了明確校驗(yàn)炮在速度模型優(yōu)化中的作用,以及噪聲壓制技術(shù)在微地震監(jiān)測(cè)中的必要性,文中分析了速度模型和噪聲壓制對(duì)震源定位精度的影響。

1 正演模型及方法

本次正演研究設(shè)計(jì)參數(shù)包括速度模型、背景噪聲文件、已知震源點(diǎn)深度和坐標(biāo)等,均來自大慶SZ探區(qū)的一口水平井的實(shí)際地面微地震壓裂監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。此監(jiān)測(cè)目的是為了開展水平井大規(guī)模套管多段、多簇體積壓裂的儲(chǔ)層改造效果評(píng)價(jià),為確定合理縫間距,優(yōu)化壓裂設(shè)計(jì)提供依據(jù)。此井壓裂水平段測(cè)深為2025～2895m,垂直深度為1789.7～1794.2m,分11段23個(gè)射孔點(diǎn)。地面監(jiān)測(cè)采用六臂星型陣列,66道接收,檢波器地表埋深0.5～1.0m,監(jiān)測(cè)半徑最遠(yuǎn)為770m。

圖1顯示的是大慶實(shí)驗(yàn)的地面微地震監(jiān)測(cè)中的一個(gè)清晰可見的微地震事件信號(hào),其中圖1a和圖1b分別為原始微地震信號(hào)及其頻譜,圖1c和圖1d分別為帶通濾波后的微地震信號(hào)及其頻譜。根據(jù)其頻譜分析,有效微地震信號(hào)主頻在40Hz左右,故正演時(shí)采用40Hz雷克子波。首先根據(jù)實(shí)際的經(jīng)過射孔信號(hào)校正的三維速度模型建立水平層狀正演模型,用23個(gè)射孔點(diǎn)作為震源點(diǎn)。其次在不考慮震源機(jī)制的影響下,采用40Hz雷克子波激發(fā)P波,波場(chǎng)采樣率為1ms。利用簡(jiǎn)化高斯束射線追蹤方法進(jìn)行地震波場(chǎng)傳播路徑追蹤,生成寬角激發(fā)、接收條件下的微地震正演記錄[19-21]。在正演微地震數(shù)據(jù)中加入實(shí)際監(jiān)測(cè)的地面噪聲生成含有不同比例噪聲的合成記錄。實(shí)際監(jiān)測(cè)的噪聲數(shù)據(jù)如圖2所示,其成分主要是低頻噪聲、高頻噪聲和異常振幅等。在整個(gè)研究過程中采用帶通濾波、隨機(jī)噪聲壓制與異常振幅壓制方法壓制合成記錄中的噪聲[22-23]。噪聲壓制中的關(guān)鍵參數(shù)主要為:帶通濾波頻帶為20～60Hz;異常振幅壓制中參與計(jì)算的道數(shù)為6道,門檻值為1.8;隨機(jī)噪聲壓制中Hankel矩陣階數(shù)為3。對(duì)比研究中相同處理環(huán)節(jié)所采用的參數(shù)保持一致,在保證不損害有效信號(hào)的同時(shí)最大限度地提高資料信噪比。最后采用掃描疊加算法進(jìn)行震源定位[24],分析空間定位精度。掃描疊加定位的思路為:將監(jiān)測(cè)的3D壓裂空間區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格剖分,并假設(shè)每一網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)虛擬震源。利用射線追蹤方法,計(jì)算出所有虛擬震源到觀測(cè)系統(tǒng)的走時(shí),再根據(jù)走時(shí)對(duì)微地震數(shù)據(jù)進(jìn)行正常時(shí)差校正,然后進(jìn)行振幅包絡(luò)疊加,疊加振幅(能量)最大的網(wǎng)格點(diǎn)便為震源位置。文中網(wǎng)格剖分步長(zhǎng)為5m×5m×5m,信噪比門檻值為3.0。

圖1 大慶SZ探區(qū)實(shí)際地面監(jiān)測(cè)的微地震信號(hào)及其頻率成分a 原始微地震信號(hào);b 原始微地震信號(hào)頻譜;c 帶通濾波后微地震信號(hào);d 帶通濾波后微地震信號(hào)的頻譜

圖2 大慶SZ探區(qū)實(shí)際地面監(jiān)測(cè)的微地震噪聲信號(hào)(a)及其頻率成分(b)

2 地面觀測(cè)系統(tǒng)對(duì)比分析

2.1 3種觀測(cè)系統(tǒng)定位精度對(duì)比

圖3展示了設(shè)計(jì)的3種觀測(cè)系統(tǒng)以及對(duì)應(yīng)的正演數(shù)據(jù)。圖中的平行四邊形是設(shè)計(jì)的壓裂區(qū)域,字母A,B,C和D是其4個(gè)頂點(diǎn),其短邊與正北方向成45°夾角,代表最大主應(yīng)力方向,23個(gè)已知射孔點(diǎn)(震源點(diǎn))位于平行四邊行中部的水平井軌跡上。3種觀測(cè)系統(tǒng)具有相同的波場(chǎng)接收孔徑,如圖中的綠色線表示的范圍。圖3a為106道星型觀測(cè)系統(tǒng),圖3c為110道網(wǎng)格觀測(cè)系統(tǒng),圖3e為106道稀疏排列觀測(cè)系統(tǒng)。本文探討的稀疏排列是指除星型排列、規(guī)則網(wǎng)格排列外的排列方式,研究時(shí)采用接收孔徑內(nèi)的隨機(jī)排列為代表。圖3中的正演微地震記錄是由(70.17m,1215.54m,1794.22m)的震源產(chǎn)生,星型排列與網(wǎng)格排列中信號(hào)的時(shí)距特征清晰,可連續(xù)追蹤性強(qiáng)。當(dāng)3種觀測(cè)系統(tǒng)的合成記錄中噪聲比例為50%時(shí),合成記錄中均有肉眼可識(shí)別的微地震事件信號(hào)。而當(dāng)噪聲為70%時(shí),合成記錄在去噪前無肉眼可識(shí)別微地震事件信號(hào),在去噪后則可識(shí)別,如圖4。在實(shí)際地面微地震監(jiān)測(cè)中,微地震事件信號(hào)的接收時(shí)間未知,稀疏排列觀測(cè)系統(tǒng)不利于信號(hào)的連續(xù)追蹤和監(jiān)測(cè)資料處理定位中的質(zhì)量控制。當(dāng)噪聲為85%時(shí),去噪前后均無可識(shí)別微地震事件信號(hào),以星型觀測(cè)系統(tǒng)合成記錄為例(圖5)。研究證明當(dāng)數(shù)據(jù)中的微地震事件信號(hào)肉眼可見時(shí),3種觀測(cè)系統(tǒng)都能準(zhǔn)確檢測(cè)并定位微地震事件,因此為分析3種觀測(cè)系統(tǒng)的定位精度,用含85%噪聲的合成記錄做對(duì)比研究。3種觀測(cè)系統(tǒng)合成記錄采用相同的處理流程和參數(shù),定位結(jié)果和相應(yīng)的誤差分析如圖6所示,此處的誤差是定位事件點(diǎn)與已知點(diǎn)的空間距離。圖6a是3種觀測(cè)系統(tǒng)定位結(jié)果與實(shí)際射孔點(diǎn)的空間相互位置關(guān)系,圖6b是定位結(jié)果的誤差分析統(tǒng)計(jì)圖。當(dāng)噪聲水平達(dá)到85%時(shí),稀疏排列觀測(cè)系統(tǒng)只能定位20個(gè)事件點(diǎn),并且誤差整體都比較大,而星型和網(wǎng)格型觀測(cè)系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)23個(gè)事件點(diǎn)的全部定位,誤差相對(duì)較小。網(wǎng)格型觀測(cè)系統(tǒng)的定位誤差雖然在部分點(diǎn)小于星型,但在處于井軌跡遠(yuǎn)端的定位結(jié)果偏離實(shí)際射孔點(diǎn)較遠(yuǎn),如圖6b 中事件點(diǎn)(震源點(diǎn))1,誤差顯著大于星型觀測(cè)系統(tǒng)的定位結(jié)果。由此可見,星型觀測(cè)系統(tǒng)的定位結(jié)果略優(yōu)于網(wǎng)格型,前者的平均誤差為25.51m,而后者的平均誤差為28.13m。在實(shí)際地面微地監(jiān)測(cè)中,井口壓裂設(shè)備產(chǎn)生的噪聲是最主要的噪聲,星型觀測(cè)系統(tǒng)以井口為中心向外輻射多條測(cè)線能最大化檢波器的偏移距,遠(yuǎn)離主要的噪聲源和壓制線性噪聲[25]。其次,地面監(jiān)測(cè)類似常規(guī)地震,需開展踏勘、清理和布設(shè)等工作,綜合上述因素,在實(shí)際的地面微地震監(jiān)測(cè)中,星型觀測(cè)系統(tǒng)更具有適用性和靈活性。

圖3 3種觀測(cè)系統(tǒng)示意圖與相應(yīng)的正演數(shù)據(jù)a 星型排列;b 星型排列的正演數(shù)據(jù);c 網(wǎng)格排列;d 網(wǎng)格排列的正演數(shù)據(jù);e 稀疏排列;f 稀疏排列的正演數(shù)據(jù)

圖4 3種觀測(cè)系統(tǒng)70%噪聲數(shù)據(jù)去噪前、后效果對(duì)比a 星型排列去噪前數(shù)據(jù);b 星型排列去噪后數(shù)據(jù);c 網(wǎng)格排列去噪前數(shù)據(jù);d 網(wǎng)格排列去噪后數(shù)據(jù);e 稀疏排列去噪前數(shù)據(jù);f 稀疏排列去噪后數(shù)據(jù)

圖5 星型排列觀測(cè)系統(tǒng)記錄含85%噪聲數(shù)據(jù)去噪前(a)、后(b)結(jié)果對(duì)比

圖6 3種觀測(cè)系統(tǒng)定位結(jié)果(a)與誤差分析(b)

2.2 星型排列接收道數(shù)對(duì)比

研究用的模型和流程與上述觀測(cè)系統(tǒng)類型對(duì)比研究的相同。接收道數(shù)分別用了實(shí)際監(jiān)測(cè)的66道,設(shè)計(jì)的106道和211道,3種道數(shù)的星型觀測(cè)系統(tǒng)具有相同的波場(chǎng)接收孔徑。3種接收道數(shù)的正演微地震記錄分別與實(shí)際噪聲合成測(cè)試數(shù)據(jù),其中的噪聲比例分別為30%,50%,70%,85%,90%。如圖7所示,當(dāng)合成記錄中噪聲比例從30%增加到70%時(shí),已知的23個(gè)震源點(diǎn)都能被檢測(cè)和定位。當(dāng)噪聲比例繼續(xù)增加時(shí),66道接收的觀測(cè)系統(tǒng)對(duì)微地震事件的檢測(cè)定位能力急劇下降,當(dāng)噪聲到達(dá)90%時(shí),基本失去對(duì)微地震事件的檢測(cè)定位能力,而106道和211道的觀測(cè)系統(tǒng)在此噪聲水平下還能檢測(cè)定位部分微地震事件。圖8是當(dāng)噪聲到達(dá)85%時(shí),211道接收和106道接收對(duì)微地震事件定位誤差的比較。在這種噪聲水平下,雖然2種類型都能完全檢測(cè)和定位23個(gè)已知震源點(diǎn),但是106道的定位誤差明顯比211道的大。106道的平均誤差為25.51m,211道的平均誤差為16.91m。研究表明隨著接收道數(shù)的減少和噪聲水平的增大,可檢測(cè)定位的微地震事件和定位精度隨之下降,這表明星型觀測(cè)系統(tǒng)接收道數(shù)越多,其抗噪能力越強(qiáng)。但106道的定位精度誤差仍可接受,可用于壓裂裂縫成像分布的壓裂監(jiān)測(cè)。

圖7 3種接收道數(shù)對(duì)微地震事件的檢測(cè)定位能力

圖8 星型排列觀測(cè)系統(tǒng)106道接收和211道接收在85%噪聲水平下的定位誤差比較

2.3 星型排列接收孔徑對(duì)比

為了對(duì)比不同接收孔徑觀測(cè)系統(tǒng)對(duì)微地震事件的檢測(cè)與定位能力,設(shè)計(jì)如圖9所示的星型觀測(cè)系統(tǒng)。110道,道間距為120m,減小接收孔徑后,道間距為70m。2種觀測(cè)系統(tǒng)的合成記錄中噪聲比例均為85%,后續(xù)的處理和定位流程同前。兩種情況下均能實(shí)現(xiàn)23個(gè)已知點(diǎn)定位,其中大孔徑的平均定位誤差為25.51m,小孔徑的平均定位誤差為30.39m(圖10)。所以星型觀測(cè)系統(tǒng)在道數(shù)一定的情況下,大孔徑對(duì)微地震事件的定位能力與精度優(yōu)于小孔徑。

圖9 星型排列觀測(cè)系統(tǒng)110道不同接收孔徑觀測(cè)系統(tǒng)a 120m道間距星型觀測(cè)系統(tǒng);b 70m道間距星型觀測(cè)系統(tǒng)

圖10 星型110道不同接收孔徑定位誤差

2.4 噪聲壓制對(duì)微地震定位精度的影響

為了分析地面微地震監(jiān)測(cè)時(shí)噪聲壓制對(duì)微地震事件檢測(cè)及定位精度的影響,利用2.1節(jié)中星型106道觀測(cè)系統(tǒng)的合成記錄,采用相同的參數(shù)與處理流程,對(duì)比去噪前、后的定位效果。當(dāng)合成記錄中噪聲比例為50%時(shí),合成記錄剖面上的微地震事件信號(hào)在在去噪前就可識(shí)別(圖11a),去噪后可識(shí)別的微地震事件信號(hào)更清晰(圖11b)。前面觀測(cè)系統(tǒng)對(duì)比研究中,已證明當(dāng)微地震事件信號(hào)可見時(shí),就能被準(zhǔn)確檢測(cè)并定位。圖12對(duì)比了合成記錄含50%噪聲時(shí)去噪前后的微地震事件定位效果與誤差。從圖中可以看出,合成記錄去噪后的定位效果好于去噪前,去噪后定位結(jié)果誤差顯著減小,其平均誤差為5.54m,去噪前定位結(jié)果的平均誤差為11.07m。當(dāng)合成記錄中噪聲到達(dá)70%時(shí),記錄中無肉眼可識(shí)別微地震事件信號(hào),合成記錄不去噪很難定位微地震事件,而去噪后能準(zhǔn)確定位微地震事件。所以,在地面微地震監(jiān)測(cè)中,噪聲壓制非常關(guān)鍵,直接影響到微地震監(jiān)測(cè)的效果。

2.5 速度對(duì)定位精度的影響

地面微地震監(jiān)測(cè)中速度模型對(duì)定位精度具有非常大的影響。生產(chǎn)中的校驗(yàn)炮信號(hào)(一般為射孔或?qū)П?是速度模型校正的重要先驗(yàn)信息,因其是在已知位置進(jìn)行強(qiáng)能量激發(fā)產(chǎn)生并由地面微地震資料采集系統(tǒng)接收到的地震信號(hào)[26]。為對(duì)比速度模型對(duì)微地震事件定位精度的影響,研究時(shí)同樣采用星型106道觀測(cè)系統(tǒng)含有70%噪聲合成記錄。分別將速度模型的速度增大10%和減小10%,然后再用改變后的速度模型,采用與前面研究相同的流程和參數(shù),對(duì)去噪后的合成記錄進(jìn)行微地震事件定位。如圖13所示,當(dāng)速度模型的速度增大或減小時(shí),其定位結(jié)果與正常速度模型定位結(jié)果相差很大。尤其是當(dāng)速度模型的速度減小10%后,其定位的微地震事件點(diǎn)比實(shí)際的射孔點(diǎn)個(gè)數(shù)多。將定位的微地震事件點(diǎn)逐一返回波形記錄數(shù)據(jù)上,刪除與正演記錄時(shí)間不符合的錯(cuò)誤定位結(jié)果,然后計(jì)算定位正確事件點(diǎn)的定位誤差。其結(jié)果表明,不管速度模型準(zhǔn)確與否,微地震事件定位結(jié)果在平面上的誤差相差不大(圖13c,圖13d),然而在縱向上即深度誤差相當(dāng)大(圖13b)。所以,當(dāng)速度模型存在一定誤差的時(shí)候,定位結(jié)果會(huì)受到不同程度的影響,不準(zhǔn)確的速度模型對(duì)定位結(jié)果的深度影響很大。因此利用校驗(yàn)炮信號(hào)進(jìn)行速度模型優(yōu)化處理至關(guān)重要。目前在大慶探區(qū)試驗(yàn)的地面微地震監(jiān)測(cè),有的地面監(jiān)測(cè)沒有采集校驗(yàn)炮信號(hào)用于速度模型校正,建議在以后的地面微地震監(jiān)測(cè)中必須采集校驗(yàn)炮信號(hào)數(shù)據(jù),以用于速度模型校正,提高監(jiān)測(cè)結(jié)果的可信度。

圖11 星型排列觀測(cè)系統(tǒng)106道含50%噪聲合成記錄去噪前(a)、后(b)效果對(duì)比

圖12 星型排列觀測(cè)系統(tǒng)106道含50%噪聲合成記錄去噪前、后定位效果(a)與誤差(b)對(duì)比

圖13 3種速度模型的定位結(jié)果與誤差對(duì)比a 定位側(cè)視效果;b 定位結(jié)果的深度誤差;c 定位結(jié)果的北方向誤差;d 定位結(jié)果的東方向誤差

3 結(jié)論及認(rèn)識(shí)

基于實(shí)際水平井的壓裂地面微地震資料和正演數(shù)據(jù)分析,主要結(jié)論如下:

1) 星型觀測(cè)系統(tǒng)在微地震事件的檢測(cè)定位能力和定位誤差方面略優(yōu)于網(wǎng)格型觀測(cè)系統(tǒng),稀疏排列觀測(cè)系統(tǒng)效果最差;

2) 地面微地震觀測(cè)系統(tǒng)的定位能力受資料信噪比的影響大,在成本允許時(shí)應(yīng)盡量增加接收道數(shù),以有利于后續(xù)震源定位時(shí)提高信噪比,增強(qiáng)微地震事件的定位能力;當(dāng)采用星型觀測(cè)系統(tǒng)時(shí),在道數(shù)一定的情況下,應(yīng)該在接收孔徑內(nèi)采用大道間距排列;

3) 相干掃描類震源定位方法適用于信噪比低,事件初至拾取困難的地面微地震監(jiān)測(cè),合理保護(hù)弱信號(hào)的噪聲壓制處理技術(shù)可提高地面微地震監(jiān)測(cè)的震源定位能力和精度;

4) 準(zhǔn)確的速度模型是地面微地震監(jiān)測(cè)成功的關(guān)鍵,有必要采集校驗(yàn)炮信號(hào)數(shù)據(jù)優(yōu)化速度模型。

在實(shí)際地面微地震監(jiān)測(cè)工作中,合理的做法是根據(jù)監(jiān)測(cè)目的和成本,在壓裂施工開始前做好噪聲調(diào)查及采集觀測(cè)系統(tǒng)研究。分析認(rèn)為,至少百道以上的星型排列觀測(cè)方式可用于大慶探區(qū)地表?xiàng)l件和壓裂的微地震監(jiān)測(cè)。