CN103109207B - 用于在垂直横向各向同性介质中检测地面下地震事件的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于确定发生在地球的地面下之中的地震事件的位置和发震时间的方法，包括接受从被部署在地面下所关注体积上方的多个地震传感器记录的信号，作为对于该方法的输入。所记录的信号是地震振幅相对于时间的表示。根据所记录的信号和初始1D或3D速度模型来确定多个地面下地震事件中的每一个的发震时间和位置。每个事件的发震时间和位置被反演，以获得在所关注体积中的地层中的Thomsen参数。事件中的每一个的深度通过个别搜索每个事件的深度来确定，采用每个被结合的新深度的反演包括更新Thomsen参数和针对每个事件设定RMS误差的最小值作为限度且针对所有事件设定总RMS误差的最小值作为限度。

Description

用于在垂直横向各向同性介质中检测地面下地震事件的方法

发明领域

本发明一般涉及发生在地面下的地震事件的无源检测和成像的领域。更具体地，本发明涉及如可被应用于具有拥有垂直对称轴的横向各向同性（“VTI”）的岩层中的这种技术。

背景技术

无源地震发射层析成像是一种过程，其中地震传感器阵列以所选模式被部署在地球表面上或其附近（或在海洋勘测中的海床上），且从发生在地球的地面下之内的各种地震事件所发出的地震能量在该传感器处被检测。处理由传感器所检测到的信号尤其被用于确定在地球地面下之中各种地震事件发生的位置、地层破坏的机制以及这种事件的发震时间。

无源地震发射层析成像的应用包括，例如，确定由沿地质断层（岩层或地层中的破裂）的运动、核存放地点的裂缝延伸、地面下储层中的流体运动、井眼机械过程（例如套管断裂）所引起的微地震的发震点，以及监测被注入到地面下储层中的充满支撑剂的流体的运动，以增加钻透碳氢化合物生产地面下地球地层的井眼（“压裂”）的有效井眼半径。后面一个应用，被称为“压裂监测”，其意图使井眼操作者能够相对于时间确定该充满支撑剂的流体移动穿过特定的地面下地球地层的方向和速度。

在颁发给Duncan等人且被转让给本发明的受让人的编号为7,663,970的美国专利中描述了一种用于发生在地面下的地震事件的发震位置和时间的无源检测的特别有用的技术。前述的专利中所描述的技术包括将被记录在所选位置的地震信号变换到地震事件源的可能空间位置的域中。根据变换后的地震数据的至少一个属性的空间和时间分布，确定至少一个地震事件的空间位置和时间中的起源。

然而，对微震事件的正确表征依赖于使用地面下岩层的精确的速度模型。本领域中已知的无源微震监测采用暂时部署的传感器阵列来执行，如上面所解释的，传感器阵列可以被部署在一个或多个地面下监测井中或地面上。近来，在浅钻孔中（“埋置阵列”）半永久或永久地部署地震传感器（例如，地震检波器）以在地面下储层的规模下的不同压裂处理当中提供一致的微震测绘，其在本领域中是已知的。这种类型的监测允许开发用于特定储层中所使用的所有压裂处理的一致的速度模型。

精确速度模型开发中的一个特别的考虑是，某些地面下岩层展示出地震速度的各向异性。地震的各向异性是地震速度对波传播方向的相关性。参见, Thomsen, L.,1986, Weak elastic anisotropy, Geophysics, 51(10),1954-1966。

与受控源地震勘测一起，地震各向异性已经被广泛用于改进储层成像（参见，例如，Tsvankin, I., and V. Grechka, 2006, Developments in seismic anisotropy:Treating realistic subsurface models in imaging and fracture detection: CSEG Recorder, 31 (special edition), 43-46），岩相区分（例如，页岩对比砂）（参见，Vernik, L., 2007, Anisotropic correction of sonic logs in wells with large relative dip, Geophysics 73 , E1 (2008); doi:10.1190/1.2789776），表征断裂和应力，以及监测从其抽取流体（例如，石油和天然气）的地面下地层的地震特性中的时滞变化。在受控源（“有源的”）地震勘测中，将弹性各向异性结合到迁移算法中允许对反射器的正确定位，并进一步增强对区域速度结构的理解。在无源地震中，连同其它参数一起，对速度各向异性进行说明对于获得精确的震源位置、震源机制以及远偏移接收器的最佳叠加是重要的。

当前迁移类型无源地震事件定位技术一般依赖于来自垂直敏感地震传感器（例如，地震检波器或加速计）的压缩（“P”）波叠加。通常，速度模型是得自1D声学井眼记录的，或可替代地得自于垂直地震剖面（“VSP”）或“检验爆破（checkshot）”所派生的1D模型。由于分层，页岩内部的剪切和压缩速度在水平面中比垂直平面中更快。结果是，观察到VTI类型的各向异性增加了水平速度，并可以解释为什么校准爆破的正确深度位置仅利用具有增加速度的各向同性模型来获得。按比例增加各向同性速度可提供钻孔爆破的局部相似的定位精度，然而，如果钻孔爆破或微震事件发生在显著不同的侧向位置处，由于接收器静止状态仅被调谐到所选择的校准位置，前述的近似可能产生有偏向的结果。VTI各向异性似乎比按比例增加（通常为1D）各向同性速度剖面更好地反映地震速度，导致了更小的残差和对于多种处理的更一致的接收器静止状态。因此，使用VTI各向异性能够实现在储层的各种部分处的新的微震事件的更快和更恒定的测绘。

需要的是一种用于说明速度各向异性的地面下地震事件的测绘的方法。

发明内容

根据本发明一个方面的用于确定发生在地球地面下的地震事件的位置和发震时间的方法，包括接受从被部署在地面下所关注体积上方的多个地震传感器记录的信号，作为对于该方法的输入。所记录的信号是地震振幅相对于时间的表示。从所记录的信号确定多个地面下地震事件中每一个的发震时间和位置。然后，每个事件的发震时间和位置被用来获得在所关注体积中的地层中的Thomsen参数。事件中的每一个的深度由每个事件的深度个别确定，Thomsen参数的迭代反演和对深度及发震时间的更新继续进行，直到达到RMS误差的最小值的限度。

本发明的另一个方面是一种具有存储其上的计算机程序的计算机可读介质。该程序具有可操作成使可编程计算机执行用于确定发生在地球地面下的地震事件的位置和发震时间的方法的逻辑。该方法包括接受从被部署在地面下所关注体积上方的多个地震传感器记录的信号，作为对于该方法的输入。所记录的信号是地震振幅相对于时间的物理表示。从所记录的信号确定多个地面下地震事件中每一个的发震时间和位置。每个事件的发震时间和位置被用于更新在所关注体积中的地层中的汤姆森参数。在所有事件的共同反演期间个别搜索事件中的每一个的深度，该共同反演包括更新Thomsen参数和发震时间，以及设定RMS误差的最小值作为限度。

根据下面的描述和所附的权利要求，本发明的其它方面和优点将是显而易见的。

附图说明

图1示出了在井眼的压裂处理期间的无源地震数据采集的示例。

图2示出了根据本发明的反演过程的一部分的流程图。

图3示出了根据本发明的反演过程的另一部分的流程图。

图4示出了具有各种计算机可读介质的通用可编程计算机，该各种计算机可读介质可以存储能够使计算机执行本发明的方法的计算机程序。

具体实施方式

根据本发明的方法将被一般性地描述，且特定地参考在对岩层的地面下压裂处理的进程进行监测中的使用的示例。随后，将描述对示例实现的特定案例研究。在所描述的案例研究中，初始速度模型是得自于地表地震检验爆破勘测的分层1D各向同性模型，然而，该技术一般可适用于3D介质。因为检验爆破勘测一般仅从单偏移（源到传感器的距离）提供地震信息，速度模型不得不被平滑以表示岩层的1D各向同性分层模型。在该示例案例研究中，为定位校准爆破（即，在已知的时间和位置处引爆的钻孔弹药），此类模型不得不被人为增加到1.25倍。然而，这种方法与所了解的岩层中声传播的物理过程不一致。检验爆破所派生的速度模型和将校准爆破定位到正确深度的模型之间的失配，可以由地面下区域内VTI类型的声速各向异性来解释。因为示例案例研究是使用页岩储层所进行的，所以这种结果与Sayers, C.M., 1993, Anelliptic approximations for shales, J. SeismExplor., 2:319-331和Sayers, C.M., 1994, The elastic anisotropy of shales, J. Geophys.Res., 99(B1):767-774.中所描述的结果相一致。上文引用中所描述的调查结果示出了页岩由于内在构造属性而可以产生强烈的非椭圆各向异性。这种信息已被用于开发根据本发明的用于在存在VTI介质情况下的测绘地面下地震事件的方法。

已描述了本发明的科学背景，现在将呈现实现方式的示例。如本文先前所述，本发明的一个特定应用是对地面下岩层的压裂处理的测绘。这种处理的示例和地震信号的对应采集将参考图1进行解释。

在图1中，一般在12处所示的多个地震传感器的每一个，都被部署在邻近地球表面14的所选位置处。在海洋应用中，地震传感器通常将在被称作“海底电缆”的装置中被部署在水底上。在本实施例中，地震传感器12可以是地震检波器,但也可以是响应于邻近该传感器的地球微粒的速度、加速度或运动的加速计或本领域中已知的任何其它感测装置。地震传感器12生成信号，例如，最终为地震振幅的物理表示的电或光信号。响应于微粒运动或加速度来生成信号，并且这种信号最终被耦合到用于对来自每个传感器12的信号进行时间索引记录的记录单元10，以用于由根据本发明的方法稍后进行解释。在其它实现方式中，地震传感器12可以被置于钻透地面下地层的井眼内的各种位置处。本发明的方法的一个特别优点是，当地震传感器被置于地球表面或其附近时，其提供一般有用的结果。与先于本发明的本领域中已知方法中通常所需的地面下传感器放置相对比，地震传感器的地表部署是相对有成本和时间效率的。一般地，地震传感器12被定向使得它们响应于在垂直方向上的微粒运动。

在某些实施例中，地震传感器12可以被布置在子分组中，这些子分组之间所具有的间隔小于意图被检测到的来自地球地面下的地震能量的预期波长的大约二分之一。来自一个或多个子分组中的所有传感器的信号可以被相加或求和，以降低所检测到的信号中的噪声影响。在其它实施例中，地震传感器12的一些或全部可以被放置于井眼中，或者永久地用于某些长期监测应用，或者是暂时地，诸如通过线缆运送、管道运送或本领域中已知的任何其它传感器运送技术来放置。

穿过碳氢化合物生产层20，井眼22被示出钻透各种地面下地球地层16、18。具有形成于其中的钻孔26的与碳氢化合物生产层20的深度相对应的井眼管道24，被连接到被称为井口（wellhead）30的阀门组，该井口30被置于地球表面处。井口可以被水利地连接到压裂泵单元32中的泵34。压裂泵单元32被用于抽取流体的过程中，该流体在某些情况下包括被布置的所选尺寸的固体微粒，统称为“支撑剂”。抽取这种流体，不管是被支撑还是以其它方式，称为水力压裂。流体的运动在图1中流体前缘28处被示意性地示出。在本领域中已知的水力压裂技术中，流体在超过特定生产层20的破裂压力的压力下被抽取，导致其断裂，并在其中形成裂隙。破裂压力一般与由被置于碳氢化合物生产层20上方的所有地层16、18的重量所施加的压力有关，并且这种压力一般被称为“盖层压力（overburden pressure）”。在有支撑的压裂操作中，在流体压力被降至低于地层20的破裂压力后，支撑剂的微粒移动到这种裂隙中并保持在其中。通过对微粒尺寸分布和形状的适当选择，支撑剂在地层20中形成高可渗透性通道，其可以远离管道24延伸很大的侧向距离，且这种通道在流体压力被减轻后保持可渗透。充满支撑剂的通道的效果是增加与生产层20水力连通的井眼24的有效半径，从而相当大地提高了井眼24对碳氢化合物的生产能力。

由流体压力所产生的地层20的压裂产生由地震传感器12所检测到的地震能量。由每一个传感器12相对于在流体前缘28处引起的地层压裂的地面下之中的随时间变化的位置检测地震能量的时间，与每一个地层16、18、20的声速以及每一个地震传感器12的位置有关。

已经解释了可以与根据本发明的方法一起使用的一种类型的无源地震数据，现在将解释用于处理这种地震数据的方法。从每一个传感器12记录的地震信号可以首先通过地震数据处理领域中众所周知的某些过程进行处理，该过程包括上文所描述的求和以及各种形式的滤波。在一些实施例中，传感器12可以被布置在基本上沿着可由泵单元32生成的声能量的传播方向的方向上，该方向在图1的实施例中在径向上向外远离井口30。通过地震传感器12的这种布置，来自泵单元32和井口30附近的类似来源的噪声可以通过速度滤波，诸如频率-波数 (f k) 滤波，在地震信号中进行衰减。本领域的普通技术人员将想到用于噪声降低和/或信号增强的其它处理技术。

由于水力压裂可以在地表下方的很大深度处的岩层中被传导的事实，在由个别地震传感器（图1中的12）所做出的数据记录中，对所做出数据记录的视觉检查（例如，在图1中的记录单元10中）可以指示没有可见的地震事件“到达”（振幅指示地面下地震事件的检测时间），甚至当此类事件是在已知位置和深度处的钻孔弹药爆炸或校准爆破（导炸索的爆炸，称为“引线爆破（string shot）”）时。因此，本发明包括可基于所观察到的通过压裂抽取所引入的微震事件的反演技术。在这种方法中，P波到达时间是从个别的接收器记录（称为“痕迹”）中选出的，其中有可能观察到源自于作为压裂抽取的结果的岩层压裂的P波的明显的、直接的到达。P波到达可以在视觉上被选择，或者可以通过扫描记录单元（图1）或其它计算机中的数据记录来选择，例如，P波到达的时机可以从接收器组中最大叠加能量的时间来确定。（参见图4）。记录例如超过所选阈值的振幅可被用于在计算机中自动地或在视觉上指示P波到达。

地面下的初始速度模型通常是得自于外界来源的分层1D各向同性模型，例如，取自于近乎垂直的井中的具有小侧向偏移（地震源和地震传感器之间的水平距离）的有源来源地震检验爆破速度。可替代地，如果井眼被使用，其中将井眼中深处的源或传感器的位置从井眼的地表位置进行移位，则其它的源或传感器应该被置于地表附近、在井眼中的装置的深处位置处基本上正上方的位置处。这种检验爆破勘测，如上文所提出的，可以利用井眼中的源和地表处的传感器来执行，或者可以使用地表处的地震能量源并在检验爆破井眼中放置地震传感器来执行。在任何前述的情况下，地震能量沿基本上垂直的行进路径从源行进到接收器。本领域的技术人员将理解，使用垂直井眼可以提供能够使用地表装置而无需为将位于井眼中装置正上方的每个“爆破”将其移动的优点。尽管如此，所有上述配置可以提供用于执行本发明的方法的有用数据。

当这样进行检验爆破勘测时，使用检验爆破勘测所获得的初始速度模型表示地震波在垂直方向上行进的速度。假定初始速度模型是各向同性的，因此其不会改变在侧向方向（垂直于横向）上的地震速度。然后，1D各向同性速度模型和所确定的P波到达可被用来估计所观察到的微震事件的水平位置。因此确定的微震事件的深度，被初始固定到压裂的深度或得自于按比例的各向同性模型中的位置的深度。然后，所确定事件的位置被反演，以获得每个事件的发震时间以及具有垂直对称轴（VTI）的有效各向异性参数。各向异性的VTI参数的反演依赖于发震时间和深度，反之亦然。因此，在根据本发明的方法中，在最小化到达时间残差的同时，在用于各向异性参数的反演和用于微震事件的发震时间和深度的反演（或用于各向异性参数的反演和用于引线爆破的发震时间的反演 ）之间执行迭代。

为了针对各向异性参数进行反演，有必要挑选来自在遍及被关注的地面下地层所记录的良好质量事件的准压缩（qP）波的到达时间。沿从起源到任何特定地震传感器的传播方向的压缩波速度，可以利用 计算，其中Vp是垂直速度，且垂直轴和地震能量射线方向之间的倾角由表示。弱 (,<< 1）弹性VTI各向异性qP波速度可以由表达式近似：

其中, ε、δ为Thomsen参数。在匀质介质中，各向异性行进时间是用来自距离除以与倾角相关的速度的简单关系的倒数（针对弱VTI被线性化）值来计算的：

对于匀质层，i，在多层地层中：

其中，是P波在第i层中所行进的距离。因此，对于分层VTI介质中的行进时间，可以如下得到表达式：

其中

对于每个事件，以上表达式中的A和B两者都是地震事件位置以及地震传感器位置二者的函数。

然后，每个微震事件的位置被定义为这样的位置，在该位置中，对于所有地震传感器（图1中的12），到达时间T_P 是与发震时间加行进时间最佳拟合的那些时间。如果行进时间被设定为针对来自第j个事件的第i个接收器的时间，则它将被写为如下形式：

以最小二乘范数来最小化总残差：

不依赖于或。因此，上述表达式可被重写为：

其中， 并且

其是事件发震位置和事件发震时间的函数。根据反演有可能获得Thomsen参数ε（epsilon）和δ（delta）。

为了使反演成为可能,有必要确定,其是事件位置、垂直速度和发震时间的函数。由于弱VTI不会改变射线轨迹，不依赖于的值（到一阶），并可以使用1D各向同性模型进行计算。

对于微震事件，且甚至经常对于引线爆破(和/或地面下之中的检验爆破)而言，发震时间被认为是未知的。对于给定的速度模型和深度，人们可以计算地震能量行进时间，并计算事件发震时间为：

用于在不使用上文所述反演进行深度搜索的情况下确定事件发震时间的过程的流程图被显示在图2中的流程图中。在40处，可以使用地面下地层的1D速度模型。如上面所解释的，可以获得1D速度模型。通过使用1D（或3D）速度模型和所选的事件到达时间（如上面所解释的进行选择），可以确定对于所选数量N的微震事件的位置。在42处，事件位置和到达时间被反演以获得Thomsen参数的初始估计。使用该Thomsen参数的初始估计，在44处，针对被识别的发震位置，调整事件的到达时间。然后，通过使用Thomsen参数，1D初始各向同性模型变为VTI模型。在46处，使用VTI模型计算到达时间和行进时间的RMS差（RMS失配）。在50处，当针对新VTI参数进行反演时，该过程继续调整发震时间，直到到达时间的总RMS不再进一步降低。然后达到最小的RMS失配，并然后作为反演的结果，有可能针对N个事件中的每一个获得Thomsen参数和发震时间的最终估计。

与使用钻孔爆破或引线爆破时的通常众所周知的事件深度相比，实际微震事件的深度中的不确定性仍然存在。为了提供关于微震事件的位置的精确深度信息，并此外为了评估深度对各向异性参数的影响，针对深度的网格搜索的步骤可以被添加到反演过程。这被图示在图3中所示的流程图中。通过如下方法，即每次进行一个事件并使用更新的深度作为输入以及应用停止条件作为RMS失配的总和最小化值，使深度搜索过程被包括在针对发震时间而进行的迭代之内。在60处，针对多个（N个）被识别事件的每一个来估计初始深度。如图2的示例中，在图3中62处创建1D速度模型。在64处，针对N个被识别事件中的第一个，在66处针对弱VTI Thomsen参数执行反演。反演可以如参考图2所解释的那样被执行。在68处，使用VTI速度模型，N个事件中的每一个的行进时间都可以被更新。在70处，第一个事件可以是“网格被搜索”，以确定导致最小RMS失配的深度。在78处，如果RMS失配已降低，则在78处，可以调整发震时间并重复反演。可以重复前面的过程直到RMS失配不再降低。在72处，下一个事件可以被输入到始于入口点64的前述的反演过程中。在80处，针对N个事件中剩余的每一个事件，可以重复该过程，直到RMS速度停止降低。然后，在76处，这样被确定的最优发震时间和位置可以被用来为Thomsen参数的最终值进行反演。然后使Thomsen参数的最终值可以被用在速度模型中，以用于识别后续微震事件的发震时间和位置。

通过使用上文所提及的Duncan等人的专利中所描述的技术，可以对这样被定位的微震事件进一步进行处理，以采用最终VTI模型来获得更精确的事件发震时间和位置。如参考图1所解释的，前述过程可以被用于在压裂处理操作期间相对于时间测绘压裂流体前缘。一种技术是生成和/或显示被确定为由水力压裂所引起的所定位的地震事件图。

在某些情况中，如果某些参数已知，则简化反演过程也许是可能的。例如，如果地震事件的发震时间是已知的，诸如根据“引线爆破”检查而已知，则也许有可能在无需确定地震事件的发震时间的情况下执行反演。更进一步，如果事件的深度和/或水平（坐标）位置是已知的，则可以在无需定位深度和/或水平位置的情况下执行反演，因为这些参数已经是已知的。

在另一个方面，本发明涉及存储在计算机可读介质中的计算机程序。参照图4，如参照图2-4所解释的前述过程可以被体现在计算机可读代码中。该代码可以被存储在诸如软盘164、CD-ROM​​ 162或磁性（或其它类型）硬盘驱动器166的形成通用可编程计算机的一部分的计算机可读介质上。如本领域中已知的，该计算机包括中央处理单元150、诸如键盘154的用户输入装置以及诸如平板LCD显示器或阴极射线管显示器的用户显示器152。该计算机可以形成记录单元（图1中的10）的一部分或者可以是另一台计算机。根据本发明的这个方面，计算机可读介质包括可操作成使计算机执行如上文所阐述并相对于先前附图所解释的动作的逻辑。用户显示器152也可以被配置为显示震源位置和如上文所解释所确定的裂缝网络。

虽然已相对于有限数量的实施例描述了本发明，但受益于本公开的本领域技术人员将能理解，可以在不脱离如本文所公开的本发明的范围的情况下设计出其它实施例。因此，本发明的范围应当仅由所附的权利要求所限制。

Claims (12)

1.一种用于确定发生在地球的地面下之中的地震事件的位置和发震时间的方法，包括：

接受从被部署在地面下所关注体积处或其上方的多个地震传感器记录的信号作为对于该方法的输入，所记录的信号是地震振幅相对于时间的物理表示；

从所记录的信号以及初始速度模型确定多个地面下地震事件中每一个的发震时间和位置；

对每个地震事件的发震时间和位置进行反演，以获得所关注体积中的地层中的Thomsen参数；以及

通过个别搜索每个事件的深度来搜索事件中的每一个的深度，采用每个被结合的新深度的反演包括更新Thomsen参数和为每个地震事件设定RMS误差的最小值作为限度以及为所有地震事件设定总RMS误差的最小值作为限度。

2.根据权利要求1的方法，其中根据在所记录的信号中被检测到的所选振幅事件的到达时间来确定所述发震时间和位置。

3.根据权利要求2的方法，其中通过初始假定岩层具有各向同性速度来根据到达时间确定所述发震时间和位置。

4.根据权利要求2的方法，其中通过在超过所选振幅阈值的叠加信号中识别事件来选择所述发震时间。

5.根据权利要求1的方法，其中地面下地震事件由至少一个地面下地层的水力压裂所引起。

6.根据权利要求5的方法，进一步包括生成由压裂所引起的事件的发震位置图。

7.一种用于确定发生在地球的地面下之中的地震事件的位置和发震时间的设备，包括：

用于接受从被部署在地面下所关注体积上方的多个地震传感器记录的信号作为对于该设备的输入的装置，所记录的信号是地震振幅相对于时间的物理表示；

用于从所记录的信号确定多个地面下地震事件中的每一个的发震时间和位置的装置；

用于对每个地震事件的发震时间和位置进行反演，以获得所关注体积中的地层中的Thomsen参数的装置；以及

用于通过个别搜索每个事件的深度来搜索事件中每一个的深度的装置，采用每个被结合的新深度的反演包括更新Thomsen参数和为每个地震事件设定RMS误差的最小值作为限度以及为所有地震事件设定总RMS误差的最小值作为限度。

8.根据权利要求7的设备，其中根据在所记录的信号中被检测到的所选振幅事件的到达时间来确定所述发震时间和位置。

9.根据权利要求8的设备，其中通过在超过所选振幅阈值的叠加信号中识别事件来选择所述到达时间。

10.根据权利要求8的设备，其中通过初始假定岩层具有各向同性速度来根据到达时间确定所述发震时间和位置。

11.根据权利要求7的设备，其中所述地面下地震事件由至少一个地面下地层的水力压裂所引起。

12.根据权利要求11的设备，进一步包括用于生成由压裂所引起的事件的发震位置图的装置。