CN103038670A - 对地球物理数据进行处理 - Google Patents

Abstract

本发明描述了一种对地球物理数据进行处理以提供地球的勘测区域的下层地质的三维表示的方法，所述地球物理数据来自对所述勘测区域的勘测，所述方法包括：输入所述勘测区域的地球物理数据；使用所述输入的地球物理数据产生初始三维表示，所述初始三维表示描绘了所述勘测区域的所述下层地质的断层；使用至少包括应力和应变在内的地质力学参数来计算每个所描绘断层的适应区；产生最终三维表示，所述最终三维表示描绘了断层和适应区两者。

Description

对地球物理数据进行处理

技术领域

本发明涉及用于对地球物理数据(例如，来自势场勘测的势场数据)进行处理以提供勘测区域的下层地质的表示的方法、设备和计算机程序代码。

背景技术

在本说明书中，将参照航空勘测，更具体地参照重力梯度勘测。然而这里描述的技术不限于这些类型的勘测，并可以应用于其他勘测，包括其他势场勘测(例如重力勘测)、磁场勘测(例如大地电磁勘测)、电磁勘测等。

通过测量针对重力勘测的势场数据来执行势场勘测，该势场数据可以包括以下一个或多个：重力计数据(测量重力场)或重力梯度计数据(测量重力场梯度)、向量磁力计数据、真磁梯度计数据以及本领域技术人员公知的其他类型的数据。地球物理势场勘测的共同目的是搜索潜在指示有价值矿床的识别特征。

一个这种有价值矿床是在保持在页岩矿床中的气体。典型地，诸如重力密度(gradiometry)、重力或磁场数据之类的势场数据将不会对在钻孔页岩时经常遇到的细微断层成像，这提出了如下解释的问题。

用于从页岩矿床得到气体的各种技术是已知的。一种流行的技术称作“断裂法”，其中使用大量流体来粉碎页岩，允许气体流到井中。这种技术的成功极大地依赖于：(a)增加与井孔接触的页岩表面积，以及(b)增加页岩内的断裂程度。如图1a所示，页岩矿床典型地形成通常水平的多层。遵循所述页岩层平面的水平井通常比垂直井产生更多的气体。然而，如图1a所示，如果水平井冲压穿透顶部或底部边界分界面，当液体逃逸到并列的较高渗透层中时，可能会经历水力断裂压力的损失，其支流不能够增加页岩单元内的断裂。因此，遇到的最大的问题之一是由于页岩单元内的断层导致的地层错位(shift instatigraphy)。

存在多种方案来解决这一问题，包括在已知不具有断层的区域中钻孔。当这些区域变得稀少时，需要备选方案。如图1a所示，3D地震成像可以用于确保当遇到断层面时改变钻头的方向，使得钻头通过断层偏移追随页岩层。这是一种具有较高破坏率的复杂工艺。备选地，如图1b所示，可以产生所述断层面的地图，并且可以与所述断层面平行地对水平井150钻孔。在这种情况下，通过施加由所述区域和本地结构构造指示的方向偏离解决了这一问题。

如图1b所示，与所述主断层面平行地钻孔仍然存在问题：所述井可能通过共轭断层面154，导致水压的损失。需要识别不具有主要或共轭断层带的结构不复杂带，其中井152可以位于从结构不复杂带中延伸的多个钻孔处。可以将井152看作是位于资源区中的“有效点(sweet spot)”。所述钻孔在中心点周围径向地延伸，从而将所述井称作是径向井152。

发明内容

因此，根据本发明的第一方面，提供了一种对地球物理数据进行处理以提供地球的勘测区域的下层地质的三维表示的方法，所述地球物理数据来自对所述勘测区域的勘测，所述方法包括：

输入所述勘测区域的地球物理数据；

使用所述输入的地球物理数据产生初始三维表示，所述初始三维表示描绘了所述勘测区域的所述下层地质的断层；

使用至少包括应力和应变在内的地质力学参数计算针对每一个所描绘断层的适应带；

产生最终三维表示，所述最终三维表示描绘了断层和适应带两者。

根据本发明的第二方面，提供了一种对地球物理数据进行处理以提供地球的勘测区域的下层地质的三维表示的设备，所述地球物理数据来自对所述勘测区域的勘测，所述设备包括：

输入端，用于输入所述勘测区域的地球物理数据，以及处理器，所述处理器配置为：

使用所述输入的地球物理数据产生初始三维表示，所述初始三维表示描绘了所述勘测区域的所述下层地质的断层；

使用至少包括应力和应变在内的地质力学参数计算针对每一个所描绘断层的适应带；

产生最终三维表示，所述最终三维表示描绘了断层和适应带两者。

本发明的这两个方面都允许通过包括在应力条件下与主断层的移动相关联的破坏区域的分布来改进对地球物理观测的解释而得出的初始表示，在如上所述的对页岩层内的气体钻孔的示例上下文中，最终三维表示可以用于定位插入径向钻孔的有效点。

以下特征应用于这两个方面。

计算所述适应区包括：使用有限元分析或者边界元分析来产生适应区的模型，其中将所述模型离散化为多个单元。可以确定所述多个单元的每一个是否超过破坏准则。可以使用任何已知的破坏准则，并且有用的破坏准则的一个示例是摩尔-库伦(Mohr-Coulomb)破坏包络：

其中τ是材料的剪切强度，

c是其内聚力，

是内摩擦角度。

可以根据对适应区的计算来确定遇到初始三维表示中与所描绘断层相邻的细微断层的概率。所述最终三维表示可以输出示出了所确定的概率的地图。

根据本发明的另一个方面，提供了一种从页岩矿床中提取气体的方法，所述方法包括：使用上述方法来产生勘测区域的下层地质的最终三维表示，从而进行对具有页岩矿床的区域的勘测；以及使用所述下层地质的所述三维表示来提取所述气体。

进行勘测的航空器或水上飞机可以配备有地球物理范围测量设备，包括一个或多个势场测量仪器，例如向量重力计、重力梯度计、磁力计、磁力梯度计或其他仪器。

所述飞机或水上飞机可以配备一套附加标准空运地球物理勘测仪器的任一个，例如用于GPS、DGPS、高度计、海拔测量、压力测量、超光谱扫描仪、电磁测量(EM)、时域电磁系统(TDEM)、向量磁力计、加速度计、重力计之类的仪器和包括其他势场测量装置在内的其他设备。

例如，可以根据当时最佳的实践，使用固定基站或移动基站中的仪器来校正来自所述仪器的输出。这种仪器可以包括GPS和磁仪器以及高质量陆地重力计。可以将根据以上方法的任一个收集的数据与任意基于地面或基于卫星的勘测数据进行组合以帮助改进分析，这种数据包括地形、光谱、磁或其他数据。

本发明还提供了用于实现上述方法的处理器控制代码，尤其是在如磁盘、CD-ROM或DVD-ROM、编程的存储器(如只读存储器(固件))之类的数据载体上，或在如光或电信号载体之类的数据载体上。用于实现本发明实施例的代码(和/或数据)可以包括以传统编程语言(解释语言或编译语言)(如C)编写的源、对象或可执行代码、或者汇编代码、用于建立或控制ASIC(专用集成电路)或FPGA(现场可编程门阵列)的代码、或硬件描述语言(如Verilog(商标)或VHDL(超高速集成电路硬件描述语言))的代码。本领域技术人员将认识到，这种代码和/或数据可以分布在互相通信的多个耦合组件之间，例如分布在网络上。

附图说明

现在参照附图，仅通过示例来进一步描述本发明的这些和其他方面，在附图中：

图1a是示出了通过页岩层钻孔的井的示意性截面的断面；

图1b是示出了主断层和井口的位置的投影区域的平面图；

图2是对围绕图1b所示断层的适应区进行映射的方法的流程图；

图3a是适应区的示意性截面图；

图3b是示出了压缩应变的形变的示意图；

图3c是示出了拉伸剪切应变的形变的示意图；

图4是遇到图3a的适应区的概率图；以及

图5是用于进行勘测的水上飞机的示意图。

具体实施方式

如图2所示，第一步骤S200是获取勘探区域上的地球物理数据。这可以从任意表面上的任意已知平台(静止和移动平台两者)来进行。例如，所述勘测可以是海上勘测或航空勘测、陆上静态勘测或卫星勘测。所述勘测可以收集包括势场数据在内的多种数据(细节请参考图5)。在步骤S202，使用已知技术产生勘探区域中的主断层的地图，例如使用本申请人开发的处理技术，包括在WO2009/092992、WO2009/016348、WO2008/117081、WO2008/93139、WO2007/085875和WO2007/012895中所教导的那些处理技术。具体地，WO2009/016348描述了一种确定诸如断层之类的线特征。将这些申请全部合并在此作为参考。

例如，如从WO2009/016348总结的，通过过空间波长对势场数据进行滤波，从而以不同深度处的地质为目标(步骤201)。然后，该过程对向量重力场分量G_x、G_y和G_z进行处理以确定线特征，然后扩大所确定的解释线以表示近似误差容限，例如100米。该过程接着对重力梯度分量G_xx、G_yy和G_zz进行处理，以再次确定用于解释下层地质的线。优选地，单个扩大值用于所有解释线，即，在本方法的实施例中，从不同势场/势场分量导出的解释线的宽度实质上是相同的。可见，G_zz信号提供了比G_z更清晰的地下表示。

该过程然后对重力梯度分量G_zx和G_zy进行处理，在这些情况下以便对限定最大值或最小值的点/线(对间隔近的最大值/最小值进行连结以形成线)进行标识。该过程对G_xy进行处理以确定点/线特征，并如前所述扩大这些点/线特征以表示误差。确定最大值/最小值点，并在这些点之间添加趋向线，以局部地将最小值和最大值分开。当最大值与邻近的最小值之间的差值大于阈值时，优选地仅添加这样的趋向线。这是由于G_xy信号倾向于挑选地下体的角。

优选地，采用所有重力梯度张量分量来最佳地利用可用信息。优选地，在可用的情况下，该过程然后继续对RTP磁数据进行处理，并且可选地，在其他勘测数据可用的情况下再次识别表示勘测区域下层地质的点/线特征。一旦已经识别出多个空间特征集合，则对这些特征集合进行组合，并确定可用的空间特征集合之间的相关或一致程度，具体地，根据重力梯度数据的张量分量以及根据重力场和/或磁数据的向量分量。

在步骤S204，一旦确定了主断层构造，地质力学技术用于预测那些主断层周围的断裂的区域。可以将这种断裂区域称作适应区或膨胀区，并且表示其中适应断层移位的体积，意识到断层不局限于单独的剪切面，而是滑动面的整体。

在步骤S204，使用地质力学参数和现代岩石机械力学理论来映射所述适应区。可以考虑所有岩石成分的张应力和应变比。存在具有不同精度的各种方法。在图2中示出了两种备选3D技术。也可以是使用模型内的应力张量和岩石的强度参数来构建简单的模型。存在许多已知的模型，并且以下给出一个示例。

所述模型称作是摩尔-库伦(Mohr-Coulomb)破坏包络

其中τ是材料的剪切强度，

c是其内聚力，

是内摩擦角度。

这种模型产生由模型中材料的预测破坏角限定的区域。在主断层构造变复杂的情况下，例如在针对每一个主断层的适应区交叠、或者所述主断层本身交叉的情况下，该方法变得难以足够精确地应用。在这种情况下需要3D方案。根据建模的结构复杂性，这可以使用例如静态或动态有限元或边界元方法之类的3D结构模型来得出。

有限元和边界元建模是土木工程部门(例如SL Crouch and ANStarfield，Unwin Hyman ISBN 0-04-620010-x ISBN 0-04-445913 0 1990用于固体力学中的边界元建模)中良好建立的方法。步骤S206和S208总结了边界元建模中的关键步骤。在步骤S206，将模型离散化为一组初始块，并且规定每一个块边界处的应力和应变条件。然后解析地计算每一个符合要求的块内的应力和应变，并且开发超过破坏准则的应力分布(例如上述的摩尔-库伦破坏条件或者备选的破坏规范)。按照这种方式，构件模型以对识别出要进行识别的破坏的边界。然而，更新模型中破坏之后的应力-应变条件是困难的，因此开发更精确破坏模式需要有限元方法。

步骤S212至S216概括了有限元方法的关键步骤。在第一步骤S212，将整个模型离散化，并且指定所述模型边界处的应力和应变条件。在步骤S214，询问每一个单元以检测是否超过所述破坏准则(例如上述的摩尔-库伦破坏准则或者备选的破坏规范)。在步骤S216，对于超过所述破坏准则的单元，在结构上更新模型以允许所述破坏的强度代替所述符合要求的强度并计算新的应变分布。重复这一过程，直到模型中的所有单元具有不超过准则的应力条件为止。

可以使用不同技术根据步骤S208和S216中的任一个来计算所述适应区的概率地图。例如，使用边界元分析方法，在可能存在破坏超过准则的那些块中，产生具有超过破坏准则的应力的块分布。例如，可以根据其中超过所述破坏准则的相邻块的个数来确定断层的相对概率(例如，依赖于重复程序的终止状态和/或采用什么终止状态条件和/或如何确定所述终止状态)。

不管使用边界元分析还是有限元分析，输出是示出了在步骤S202确定的主成像断层周围存在的适应区的概率的地图。可选的步骤S220用于输出所述概率地图以精炼所述主断层构造的初始表示，并且重复产生概率映射的过程。在将所述适应区概率地图反馈给系统的实施例中，可以将这种迭代过程重复一次或多次(几次)以改进输出。

最后，输出针对勘测区域的地图，示出了断层和适应区。

图3a示出了标记为影响区域的主断层及其适应区。在影响区域内，可以使用在步骤S200和S202中描绘的地球物理数据来对一个或多个断层成像。然而，使用传统的技术不能对一些断层成像。所述适应区是其中线性钻孔将与滑动面交叉的区域，其单独地作用以适应所述断层上的总应变的一部分。

所描绘的主断层构造是其组成断层表面延伸穿过感兴趣的深度范围的构造。这些断层可能是连续的、或者对由地球的较深断面中的断层引起的应变有反应，较深断面中的断层对于大地构造规模应力场做出响应。因此，这些断层将与下层符合要求的岩石中断层在位置、类型和方向方面相关联，这些断层称作“地下”断层。替代地，所述断层可以是脱盐断层系(salt detached fault system)，当存在一个或多个盐层并且拉伸的断层从地壳的中部向上传播直到它们遇到这些盐层为止时，形成所述脱盐系。盐层的弱点防止了断层穿透传播并且在盐基的断层断错上继续位移，并且引起最终断裂的过载层的弯曲。

地球的地壳是具有变化的强度、空间变化的应力条件的复杂材料组合体。断层不会沿横向或垂直方向无限期地延伸，而是它们在零变形条件下必须按照某种方式终止。作用于所述组合体的大地构造应力场将导致在最强材料中(最耐受应变)的一组主断裂(所谓的地下断层)的发展以及一组相关联的断裂，这允许最强材料周围的材料变形以适应所强加的应变。

如图3b和3c所示，在地球地壳的一部分上上强加的应变不必排列成简单的线性形状。在强加弯曲的应变场的情况下，可以通过交叉断层的复杂排列来进行适应。与图3b所示的压缩应变相关联的断层图案通常称作共轭断层组70。如图3c所示，通常通过正常断层作用72和撞击滑动断层作用74的组合来适应张应变和拉伸剪切应变。

对适应区的计算可以用于根据所述场数据来确定遇到与在初始3D表示中描绘的断层相邻的非成像断层(例如，细微断层)的概率。如图4所示，可以在最终3D表示中输出这些概率。将在所述场数据中本身明显的主成像断层描绘为实心黑色区域，其中按照不同阴影示出的计算的影响区域示出了命中细微适应断层的概率的差异。在断层最远点处有一般的圆形区域160，其中存在遇到未成像断层的最高概率(即概率超过可能80％或90％的较高阈值)。包围所述中心圆形区域的较大区域162具有遇到细微断层的较低概率(但是仍然相对较高，例如50-70％)。这两个区域的外部，存在遇到细微断层的较低概率。这些区域可以用“暖”色和“冷”色代表的颜色，“暖”色(例如红色、橘色)示出了较高的概率，而“冷”色(例如绿色、蓝色)示出了较低的概率。可以将较低概率区域看作是低结构复杂性的区域，因此是是以井为目标的优选区域。在这些区域中，可以成功地钻孔径向井，从而最大化产出。

现在参考图5，这示出了进行势场勘测以获得数据从而根据如上所述的方法进行处理的航空器10的示例。如上所述，所述勘测也可以是海上勘测，其中可以用船只代替航空器。用于进行勘测的所述航空器10或其他水上飞机包括在其上安装了重力梯度计14(和/或向量磁力计)的惯性平台12，重力梯度计14将势场勘测数据提供给数据采集系统16。惯性平台12配备有惯性测量单元(IMU)18，该惯性测量单元18也将数据提供给数据采集系统16，典型包括姿态数据(例如，倾斜、滚动和偏航数据)、角速率和角加速度数据、以及航空器加速度数据。航空器还配备有差分GPS系统20和LIDAR系统22或类似装置，以提供与航空器在下层地形上的高度有关的数据。优选地，从(D)GPS、获得位置和时间数据，可选地为了精确性而与IMU组合。

航空器10也可以配备其他仪器24，如磁力计、TDEM(时域电磁系统)系统和/或超光谱成像系统，再次馈入数据采集系统。数据采集系统16也具有来自一般航空器仪器26的输入，该一般航空器仪器26可以包括例如高度计、航空和/或地面速度数据等。例如，数据采集系统16可以提供一些初始数据预处理，以便针对航空器运动校正LIDAR数据，和/或将来自IMU 18和DGPS 20的数据进行组合。数据采集系统16也可以配备有通信链路16a和/或非易失性存储器16b，从而能够存储所收集的势场和位置数据以用于以后的处理。也可以提供网络接口(未示出)。

通常(但不必须)离线执行数据处理以从势场勘测产生地图数据，有时在与收集了勘测数据的国家不同的国家。如图所示，数据处理系统50包括处理器52，该处理器52耦合至代码和数据存储器54、输入/输出系统56(例如，包括用于网络和/或存储介质和/或其他通信的接口)、用户接口58，例如所述用户接口包括键盘和/或鼠标。可以在可拆卸存储介质60上提供存储器54中存储的代码和/或数据。在操作中，数据包括从势场勘测中收集的数据，代码包括根据对该数据进行处理以产生地图数据的代码。

势场数据包括但不限于重力计数据、重力梯度计数据、向量磁力计数据和真磁梯度计数据。通过一系列关系在数学上表征了这些数据，所述关系管理数量如何随空间而变化、以及不同类型的测量如何相关。仪器的选择简单地归结于利用具有最大信号噪声来测量所需量的仪器。可以从标量导出势场的元素和表示。

针对重力，相关势能是重力标量势Φ(r)，定义为

$\mathrm{\Φ}\left(r\right)=\∫\∫\∫\frac{\mathrm{G\ρ}\left(r^{\′}\right)}{|r-r^{\′}|}{d}^3{r}^{\′}$

其中，r，ρ(r′)，G分别是重力场测量的位置、位置r’处的质量密度、以及重力常数。重力加速度(所体验到的重力场)是标量势的空间导数。重力是方向已知的向量。对于任何所选的笛卡尔坐标系，通过三个分量来表示重力：

$g=(g_x,g_y,g_z)=(\frac{\∂\mathrm{\Φ}\left(r\right)}{\∂x},\frac{\∂\mathrm{\Φ}\left(r\right)}{\∂y},\frac{\∂\mathrm{\Φ}\left(r\right)}{\∂z})$

这三个分量中的每一个沿三个方向中的每个方向而改变，因而产生了九个量，形成了重力梯度张量：

$G=\left(\begin{array}{ccc}{G}_{\mathrm{xx}}& G_{\mathrm{xy}}& G_{\mathrm{xa}}\\ G_{\mathrm{yx}}& G_{\mathrm{yy}}& G_{\mathrm{yz}}\\ G_{\mathrm{zx}}& G_{\mathrm{zy}}& G_{\mathrm{zz}}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}\frac{\∂}{\∂x}\frac{\∂\mathrm{\Φ}\left(r\right)}{\∂x}& \frac{\∂}{\∂x}\frac{\∂\mathrm{\Φ}\left(r\right)}{\∂y}& \frac{\∂}{\∂x}\frac{\∂\mathrm{\Φ}\left(r\right)}{\∂z}\\ \frac{\∂}{\∂y}\frac{\∂\mathrm{\Φ}\left(r\right)}{\∂x}& \frac{\∂}{\∂y}\frac{\∂\mathrm{\Φ}\left(r\right)}{\∂y}& \frac{\∂}{\∂y}\frac{\∂\mathrm{\Φ}\left(r\right)}{\∂z}\\ \frac{\∂}{\∂z}\frac{\∂\mathrm{\Φ}\left(r\right)}{\∂x}& \frac{\∂}{\∂z}\frac{\∂\mathrm{\Φ}\left(r\right)}{\∂y}& \frac{\∂}{\∂z}\frac{\∂\mathrm{\Φ}\left(r\right)}{\∂z}\end{array}\right)$

已经很好地建立了势场的数学理论：基本等式和关系遵循标量势函数、其导数、其傅里叶变换和其他数学量的性质分析。

毫无疑问，技术人员将想到许多其他有效备选方案。将理解，本发明不限于所描述的实施例，并且包括落入所附权利要求的精神和范围内的、对于本领域技术人员而言显而易见的修改。

Claims (10)

1.一种对地球物理数据进行处理以提供地球的勘测区域的下层地质的三维表示的方法，所述地球物理数据来自对所述勘测区域的勘测，所述方法包括：

输入所述勘测区域的地球物理数据；

使用所述输入的地球物理数据产生初始三维表示，所述初始三维表示描绘了所述勘测区域的所述下层地质的断层；

使用至少包括应力和应变在内的地质力学参数来计算每个所描绘断层的适应区；

产生最终三维表示，所述最终三维表示描绘了断层和适应区两者。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，计算所述适应区包括：使用有限元分析来产生所述适应区的模型，其中将所述模型离散化为多个单元。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，计算所述适应区包括：使用边界元分析来产生所述适应区的模型，其中，将所述模型离散化为多个单元。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其中，计算所述适应区包括：确定所述多个单元中的每一个是否超过破坏准则。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，计算所述适应区包括：确定遇到与初始三维表示中所描绘断层相邻的细微断层的概率，并且产生所述最终三维表示包括：输出示出了所确定的概率的地图。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括：输入包括势场数据在内的地球物理数据。

7.根据权利要求6所述的方法，包括输入重力梯度数据。

8.一种从页岩矿床中提取气体的方法，所述方法包括：使用根据前述权利要求中任一项所述的方法产生勘测区域的下层地质的最终三维表示，进行对具有页岩矿床的区域的勘测；以及使用所述下层地质的所述三维表示来提取所述气体。

9.一种承载处理器控制代码的载体，所述处理器控制代码在处理器上运行时实现前述权利要求中任一项所述的方法。

10.一种对地球物理数据进行处理以提供地球的勘测区域的下层地质的三维表示的设备，所述地球物理数据来自对所述勘测区域的勘测，所述设备包括：

输入端，用于输入所述勘测区域的地球物理数据，以及

处理器，所述处理器配置为：

使用所述输入的地球物理数据产生初始三维表示，所述初始三维表示描绘了所述勘测区域的所述下层地质的断层；

使用至少包括应力和应变在内的地质力学参数来计算每个所描绘断层的适应区；

产生最终三维表示，所述最终三维表示描绘了断层和适应区两者。

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