CN103389489A - 基于大斜度井的微地震监测定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微地震监测定位方法，包括：分别计算各个检波器所测量的微地震事件的发震方位角；根据每个检波器上微地震事件发震方位角建立第一目标函数：通过基于第一目标函数的反演，估算微地震事件的初始位置(X₀,Y₀,Z₀)；在初始位置(X₀,Y₀,Z₀)附近，根据微地震事件的P波初至和S波初至，建立第二目标函数：

对第二目标函数进行非线性反演，从而得到微地震事件的震源的精确x、y、z坐标。根据本发明的实施例的微地震监测定位方法不仅能够有效反演检波器位于大斜度井段的微地震事件定位问题，并且具有计算速度快，反演算子稳定等优点。

Description

基于大斜度井的微地震监测定位方法

技术领域

本发明涉及地球物理勘探微地震监测技术，更具体地讲，涉及一种基于大斜度井的微地震监测定位方法。

背景技术

微地震监测技术是近年来快速发展起来的解决低渗透油气藏开发的重要技术。尽管20世纪70年代已经进行过微地震压裂的监测，但那时只是作为实验性质。随着对能源开发的进一步重视及需求，微地震监测与研究对致密砂岩、页岩等非常规油气藏的开发起到至关重要的作用。中国每年至少有上万口井需要做微地震压裂。微地震技术是通过对相邻井中的地震检波器接收到的来自压裂井在压裂过程中的微地震信号（目前主要指微地震初至旅行时）进行分析，来描述压裂过程中裂缝生长的几何分布以及流体运移特征（例如裂缝的高度、长度以及方位）。这些信息可以优化压裂设计以及提高油气藏管理，从而提高油气田的产能。其中，利用射孔进行压裂，射孔是采用特殊聚能器材进入井眼预定层位进行爆炸开孔让井下地层内流体进入孔眼的作业活动，普遍应用于油气田和煤田。

微地震由多个检波器检测，由于地面的噪声很大，这些检波器被放置在监测井中。图1A示意性示出了直监测井中的检波器串，图1A为侧视图；图1B则示意性示出了直井中的检波器串测量微震事件的情况，图1B为水平投影图，其中，直监测井位于原点处。图2A示意性示出了大斜度监测井中的检波器串，图2A为侧视图；图2B则示意性示出了大斜度监测井中的检波器串测量微震事件的情况，图2B为水平投影图，其中，检波器串中的各个检波器在水平投影面上的x、y坐标不相同。

然而，现在普遍流行的微地震监测定位技术，均是基于监测井为直井的定位方法，然而对于监测井为大斜度井的情况，采用直井的定位技术，必然导致较大的定位误差，从而大大地影响微地震监测裂缝分布规律。

发明内容

针对现有技术中存在的上述微地震监测定位问题，本发明提出一种基于大斜度井的微地震监测定位方法。模型实验表明，根据本发明的实施例的微地震监测定位方法不仅能够有效反演检波器位于大斜度井段的微地震事件定位问题，并且具有计算速度快，反演算子稳定等优点。

本发明的基本思路是：（1）每个检波器接收到微地震事件P波或S波的水平分量分别反演该检波器所对检测的微地震事件发震方位角；（2）通过每个检波器测量的微地震事件发震方位角，构建第一目标函数：

$O_1(x,y,z)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}[\mathrm{azi}(x,y,z)-{\mathrm{\α}}_i]/N$

基于第一目标函数进行反演，估算微地震事件的初始位置(X₀,Y₀,Z₀)；

(3)以上面求解的(X₀,Y₀,Z₀)坐标为中心，在一定的空间范围内，利用第二目标函数 $O_2(x,y,z)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left\{\mathrm{Ray}\right[S(x,y,z),R_i(x,y,z)](\frac{1}{\mathrm{Vs}}-\frac{1}{\mathrm{Vp}})-(t_{s,i}-t_{p,i})\}/N,$ 最终反演得到微地震事件的精确位置(X,Y,Z)。

本发明的技术内容主要包括微地震事件的发震方位角的求取、微地震初始空间坐标(X₀,Y₀,Z₀)的估算、微地震点精确坐标(X,Y,Z)的反演。

本发明涉及微地震事件方位角的求取，微地震事件震源坐标的反演等重要部分。根据微地震监测的射孔记录求取每个检波器的方位角；根据待求的微地震事件P波或S波初至，求取各个检波器接收的微地震事件的方位角；建立反演的两个目标函数；利用非线性反演方法，求解目标函数，最终得到该微地震事件的微地震点的（x,y,z）坐标。

根据本发明的一方面，提供一种微地震监测定位方法，包括：分别计算各个检波器所检测的微地震事件的发震方位角α_i；根据每个检波器检测的微地震事件的发震方位角α_i建立第一目标函数：

其中，azi(x,y,z)是待反演的微地震事件对应的真实发震方位角，N为检波器的个数，i为整数，1≤i≤N；通过基于第一目标函数的反演，估算微地震事件的初始位置(X₀,Y₀,Z₀)；在初始位置(X₀,Y₀,Z₀)附近，根据微地震事件的P波初至和S波初至，建立第二目标函数：

$O_2(x,y,z)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left\{\mathrm{Ray}\right[S(x,y,z),R_i(x,y,z)](\frac{1}{\mathrm{Vs}}-\frac{1}{\mathrm{Vp}})-(t_{s,i}-t_{p,i})\}/N$

其中，S(x,y,z)表示震源位置，R_i(x,y,z)表示检波点位置，Ray[S(x,y,z),R_i(x,y,z)]表示震源与检波点之间的射线传播距离，RAY表示利用射线追踪算法得到震源和检波器之间的传播距离，Vs表示S波速度，Vp表示P波速度，t_s表示微地震事件S波初至，t_p表示微地震事件P波初至；对第二目标函数进行非线性反演，从而得到微地震事件的震源的精确x、y、z坐标。

计算各个检波器所检测的微地震事件的发震方位角的步骤包括：根据检波器的空间坐标及射孔位置的空间坐标，求取第i个检波器与射孔的连线的方位角

利用偏振分析法，在微地震事件的P波初至点或S波初至点附近开取一定大小的时窗，使得P波初至点或S波初至点落入该时窗内，利用该时窗内的P波或S波的两个水平分量，求取i个检波器测得的微地震事件的偏振角

根据

将偏振角

转换到大地坐标系统中的发震方位角α_i。

利用记录的三分量微地震的两个水平分量，根据偏振分析法得到第i个检波器测得的微地震事件的偏振角

初至点是该时窗的中心点。

以初始位置(X₀,Y₀,Z₀)为中心，在一定的空间范围内，根据微地震事件的P波初至和S波初至，建立第二目标函数。

模型实验表明，根据本发明的实施例的基于大斜度井的微地震监测定位方法不仅保持了微地震初至旅行时计算的精确，而且具有运算速度快以及计算稳定等优点，极大地提高了微地震监测的定位精度。

在部分勘探区域，微地震监测井为大斜度井时，可极大地提高定位精度，有利于拓展微地震监测在大斜度井区域的运用。

附图说明

通过下面结合示例性地示出一例的附图进行的描述，本发明的上述和其他目的和特点将会变得更加清楚，附图中：

图1A示意性示出了直监测井中的检波器串，图1B示意性示出了直井中的检波器串测量微震事件的情况。

图2A示意性示出了大斜度监测井中的检波器串，图2B示意性示出了大斜度监测井中的检波器串测量微震事件的情况。

图3示意性示出了根据本发明的实施例的微地震监测定位方法的流程图。

具体实施方式

以下，参照附图来详细说明本发明的实施例。

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图2A示意性示出了大斜度监测井中的检波器串（检波器串具有多个检波器），图2B示意性示出了大斜度监测井中的检波器串测量微震事件的情况。图2A为侧视图，图2B为水平投影图，其中，检波器串中的各个检波器在水平投影面上的x、y坐标不相同。

利用射孔进行压裂，从而引起微地震事件。地震波波前到达某个观测点时，此点介质的质点开始发生振动的时刻称为波的初至时间，简称初至。

下文中涉及的方位角，均是以正北方向（如图2B中所示）为起始线，沿顺时针方向旋转为正，将平面中某条线或某个方向与正北方向的夹角称为该条线或该方向的方位角。

（1）根据检波器的空间坐标及射孔位置的空间坐标，求取第i个检波器与射孔的连线的方位角

（2）利用偏振分析法，在微地震事件的P波初至点（或S波初至点）附近开取一定大小的时窗，使得P波初至点（或S波初至点）落入该时窗内。例如，初至点可以是该时窗的中心点。利用该时窗内的P波（或S波）的两个水平分量，求取该微地震事件的偏振角

偏振角的求取可以通过现有技术中存在的多种方法来实现，例如，可以利用记录的三分量微地震的两个水平分量，根据偏振分析法可得到第i个检波器测得的微地震事件的偏振角

（3）对于步骤（2）中获得的微地震事件的偏振角

根据

将偏振角转换到大地坐标系统中的发震方位角α_i。

（4）循环步骤（2）-（3），直到N个检波器所测的微地震事件的发震方位角均已求取，N个检波器测得的发震方位角可表示为集合{α₁,…,α_i,…,α_N}；

（5）根据微地震事件的方位角特征建立目标函数1：

其中，azi(x,y,z)是待反演的微地震事件对应的真实发震方位角；通过基于该目标函数的反演，可估算到微地震事件的初始位置(X₀,Y₀,Z₀)，其中，反演计算的具体过程是本领域技术人员已知的；

（6）在初始位置(X₀,Y₀,Z₀)附近，根据微地震事件的P波和S波初至，建立目标函数2：

$O_2(x,y,z)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left\{\mathrm{Ray}\right[S(x,y,z),R_i(x,y,z)](\frac{1}{\mathrm{Vs}}-\frac{1}{\mathrm{Vp}})-(t_{s,i}-t_{p,i})\}/N,$

其中，S(x,y,z)表示震源位置，R_i(x,y,z)表示检波点位置，

Ray[S(x,y,z),R_i(x,y,z)]表示震源与检波点之间的射线传播距离，RAY表示利用射线追踪算法得到震源和检波器之间的传播距离。，Vs表示S波速度，Vp表示P波速度，t_s表示微地震事件S波初至，t_p表示微地震事件P波初至。

（7）对目标函数2进行非线性反演，从而得到微地震震源的精确x、y、z坐标。

图3示意性示出了根据本发明的实施例的微地震监测定位方法的流程图，其概括了上面描述的方法。参见图3，本发明主要用于检波器位于监测井的大斜度井段的压裂微地震监测施工中，从而使得常规的直井定位技术不适用。本发明的基于大斜度井的微地震监测定位技术相对于其他定位方法，其核心在于目标函数1和目标函数2的构建，并通过分布反演流程，最终得到最优化的微地震事件震源坐标。

通过反演得到的单个微地震事件震源坐标，可得到压裂施工过程中，地下微裂缝发生的真实位置。通过大量微地震事件的反演和空间成图，可得到压裂过程中地下微裂缝的发生方位、时间等相关信息，并根据微地震的空间展布，从而实时指导压裂施工作业，并对压裂施工效果进行评价，最终有效地指导非常规油气藏的开采开发。

出于促进对本发明的原理的理解的目的，已经对附图中示出的优选实施例进行了说明，并已经使用了特定的语言来描述这些实施例。然而，该特定的语言并非意图限制本发明的范围，本发明应被解释成包括对于本领域普通技术人员而言通常会出现的所有实施例。此外，除非元件被特别地描述为“必不可少的”或“关键的”，否则没有元件或模块对本发明的实施是必不可少的。

虽然上面已经详细描述了本发明的示例性实施例，但本发明所属技术领域中具有公知常识者在不脱离本发明的精神和范围内，可对本发明的实施例做出各种的修改、润饰和变型。但是应当理解，在本领域技术人员看来，这些修改、润饰和变型仍将落入权利要求所限定的本发明的示例性实施例的精神和范围内。

最后，除非这里指出或者另外与上下文明显矛盾，否则这里描述的所有方法的步骤可以以任意合适的顺序执行。

Claims (5)

1.一种微地震监测定位方法，包括：

分别计算各个检波器所检测的微地震事件的发震方位角α_i；

根据每个检波器检测的微地震事件的发震方位角α_i建立第一目标函数：

$O_1(x,y,z)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}[\mathrm{azi}(x,y,z)-{\mathrm{\α}}_i]/N$

其中，azi(x,y,z)是待反演的微地震事件对应的真实发震方位角，N为检波器的个数，i为整数，1≤i≤N；通过基于第一目标函数的反演，估算微地震事件的初始位置(X₀,Y₀,Z₀)；

在初始位置(X₀,Y₀,Z₀)附近，根据微地震事件的P波初至和S波初至，建立第二目标函数：

$O_2(x,y,z)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left\{\mathrm{Ray}\right[S(x,y,z),R_i(x,y,z)](\frac{1}{\mathrm{Vs}}-\frac{1}{\mathrm{Vp}})-(t_{s,i}-t_{p,i})\}/N$

其中，S(x,y,z)表示震源位置，R_i(x,y,z)表示检波点位置，

Ray[S(x,y,z),R_i(x,y,z)]表示震源与检波点之间的射线传播距离，RAY表示利用射线追踪算法得到震源和检波器之间的传播距离，Vs表示S波速度，Vp表示P波速度，t_s表示微地震事件S波初至，t_p表示微地震事件P波初至；

对第二目标函数进行非线性反演，从而得到微地震事件的震源的精确x、y、z坐标。

2.根据权利要求1所述的微地震监测定位方法，其中，计算各个检波器所检测的微地震事件的发震方位角的步骤包括：

根据检波器的空间坐标及射孔位置的空间坐标，求取第i个检波器与射孔的连线的方位角

利用偏振分析法，在微地震事件的P波初至点或S波初至点附近开取一定大小的时窗，使得P波初至点或S波初至点落入该时窗内，利用该时窗内的P波或S波的两个水平分量，求取i个检波器测得的微地震事件的偏振角

根据

将偏振角

转换到大地坐标系统中的发震方位角α_i。

3.根据权利要求2所述的微地震监测定位方法，其中，

利用记录的三分量微地震的两个水平分量，根据偏振分析法得到第i个检波器测得的微地震事件的偏振角

4.根据权利要求2所述的微地震监测定位方法，其中，

初至点是该时窗的中心点。

5.根据权利要求1所述的微地震监测定位方法，其中，

以初始位置(X₀,Y₀,Z₀)为中心，在一定的空间范围内，根据微地震事件的P波初至和S波初至，建立第二目标函数。

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