CN104166159A - 四维微地震监测的裂缝形态处理方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了四维微地震监测的裂缝形态处理方法和系统，其裂缝形态处理方法包括：A、选定需监测计算的空间三维地质体范围；B、按照预设分辨率将所述空间三维地质体划分为多个体积单元；C、建立施工区域地层的速度波模型，根据速度波模型进行射线追踪，计算各体积单元与检波器的信号传播时间和路径衰减；D、对目标数据体中的每个体积单元，根据检波器的接收信号恢复原始信号；E计算各体积单元的能量，形成四维成像结果并输出。本发明大大提高了裂缝形态描述的准确性，还能反映出各个时刻裂缝的变化过程。

Description

四维微地震监测的裂缝形态处理方法和系统

技术领域

本发明涉及微地震监测技术，特别涉及一种四维微地震监测的裂缝形态处理方法和系统。  

背景技术

微地震监测技术是一种裂缝监测方法，目前普遍应用于国内各大油气田的开发、规划。微地震事件发生在裂隙之类的断面上，地层内地应力呈各向异性分布。随着外力影响，原有裂缝会变形、扩展，从而使应力松弛，储藏能量的一部分以弹性波的形式释放出来产生小的地震，即微地震。微地震事件一般表现为清晰的脉冲。越弱的微地震事件，其频率越高，能量越小，破裂长度越短。在传播过程中，由于地层结构复杂，岩石介质吸收以及不同地质环境，都会影响微地震信号的能量。 

现有的微地震监测解释技术默认探区地层是均匀地层，地下微震波是以直线方式传播至地表被检波器接收到的，在对微地震事件进行反演计算定位时存在较大误差，导致对微地震震源的定位不准确。由于地下裂缝形态是根据微地震事件反映出来的，所以对于最终的裂缝形态的描述也会存在较大误差。 

因此，现有技术还有待于改进和发展。  

发明内容

鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种四维微地震监测的裂缝形态处理方法和系统，以解决现有技术对裂缝形态的描述存在较大误差的问题。 

为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案： 

一种四维微地震监测的裂缝形态处理方法，其包括：

A、选定需监测计算的空间三维地质体范围；

B、按照预设分辨率将所述空间三维地质体划分为多个体积单元；

C、建立施工区域地层的速度波模型，根据速度波模型进行射线追踪，计算各体积单元与检波器的信号传播时间和路径衰减；

D、对目标数据体中的每个体积单元，根据检波器的接收信号恢复原始信号；

E、计算各体积单元的能量，形成四维成像结果并输出。

所述的四维微地震监测的裂缝形态处理方法中，在所述步骤D中，还包括：计算微震波震源座标；当有6个接收站接收到同一震源处的微震信号时，地面各接收站的P波到时时间与发震时刻的关系如下： 

        （1），  

对公式（1）进行推导可得到公式（2）：

（2），

其中，T1~T6表示任意六个接收站的P波到时，T0是发震时刻；(X1，Y1，Z1)…(X6，Y6，Z6)是各接收站的坐标，Z1~Z6的值默认为0；VP是P波速度，(X0，Y0，Z0)是微震震源的空间坐标；T0，X0，Y0，Z0是待求的未知数。

所述的四维微地震监测的裂缝形态处理方法中，所述公式（2）采用矩阵方式求解，将公式（2）按照[A]=[K][B]方式矩阵化，其中，矩阵[A]为： 

，

矩阵[B]为：

，

矩阵[K]为：

。

所述的四维微地震监测的裂缝形态处理方法中，从目的层某点到地面的高度Z0的公式如下： 

，

微震波震源的空间位置为（T0，X0，Y0，Z0）。

所述的四维微地震监测的裂缝形态处理方法中，在所述步骤E中，地震波震源处破裂能量的计算公式： 

，

其中，k是被扫描的目标体积中第k个震源点，M是最大检波器数量，，w是设定的时间窗口，f_ij是矢量迭加K点到所有采集站记录的信号振幅的平方，F是归一化因子。 

一种用于实现所述四维微地震监测的裂缝形态处理方法的系统，其包括： 

扫描模块，用于选定需监测计算的空间三维地质体范围, 按照预设分辨率将所述空间三维地质体划分为多个体积单元；

计算模块，用于建立施工区域地层的速度模型，根据速度模型进行射线追踪，计算各体积单元与检波器的信号传播时间和路径衰减；

恢复模块，对目标数据体中的每个体积单元，根据检波器的接收信号恢复原始信号；

能量图像模块，用于计算各体积单元的能量，形成四维成像结果并输出。

所述的四维微地震监测的裂缝形态处理方法的系统中，所述恢复模块还用于计算微震波震源座标；当有6个接收站接收到同一震源处的微震信号时，地面各接收站的P波到时时间与发震时刻的关系如下： 

        （1），  

对公式（1）进行推导可得到公式（2）：

（2），

其中，T1~T6表示任意六个接收站的P波到时，T0是发震时刻；(X1，Y1，Z1)…(X6，Y6，Z6)是各接收站的坐标，Z1~Z6的值默认为0；VP是P波速度，(X0，Y0，Z0)是微震震源的空间坐标；T0，X0，Y0，Z0是待求的未知数。

所述的四维微地震监测的裂缝形态处理方法的系统中，所述恢复模块对所述公式（2）采用矩阵方式求解，将公式（2）按照[A]=[K][B]方式矩阵化，其中，矩阵[A]为： 

，

矩阵[B]为：

，

矩阵[K]为：

。

所述的四维微地震监测的裂缝形态处理方法的系统中，从目的层某点到地面的高度Z0的公式如下： 

，

微震波震源的空间位置为（T0，X0，Y0，Z0）。

 所述的四维微地震监测的裂缝形态处理方法的系统中，所述能量图像模块计算地震波震源处破裂能量采用的计算公式为： 

，

其中，k是被扫描的目标体积中第k个震源点，M是最大检波器数量， w是设定的时间窗口，f_ij是矢量迭加K点到所有采集站记录的信号振幅的平方，F是归一化因子。 

相较于现有技术，本发明提供的四维微地震监测的裂缝形态处理方法和系统，选定需监测计算的空间三维地质体范围, 按照预设分辨率将所述空间三维地质体划分为多个体积单元，建立施工区域地层的速度波模型，根据微震波定位理论定位出微震波震源、即破裂点的坐标；通过记各破裂点的破裂能量，形成裂缝形态的各时段破裂能量图；大大提高了裂缝形态描述的准确性，还能反映出各个时刻裂缝的变化过程。 

附图说明

图1为本发明四维微地震监测的裂缝形态处理方法的方法流程图。 

图2为本发明四维微地震监测的裂缝形态处理方法中空间三维立方体的示意图。 

图3为本发明四维微地震监测的裂缝形态处理方法中震源与检波器之间的射线示意图。 

图4为本发明四维微地震监测的裂缝形态处理方法中各时段破裂能量示意图。 

图5为本发明四维微地震监测的裂缝形态处理系统的结构框图。 

具体实施方式

本发明提供一种四维微地震监测的裂缝形态处理方法和系统，在基于现有裂缝形态处理的基础上，增加速度模型理论，对所在探区进行分层，提高了微震源定位准确性，通过微地震事件反演定位，大大提高了裂缝形态描述的准确性，又可以反映出各个时刻裂缝的变化过程。为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。 

本实施例应用于油田目的井压裂监测，通过获取震源的几何位置来大致确定地下裂缝的形态，再获取震源的破裂能量来细化裂缝形态；请参阅图1，所述的四维微地震监测的裂缝形态处理方法包括以下步骤： 

S100、选定需监测计算的空间三维地质体范围。默认为是由施工目的层段至地表的空间三维地质体。

S200、按照预设分辨率将所述空间三维地质体划分为多个体积单元。为后面速度波模型的建立以及通过微震信号反演得出地下能量场的分布变化做准备。 

S300、建立施工区域地层的速度波模型，根据速度波模型进行射线追踪，计算各体积单元与检波器的信号传播时间和路径衰减。为后面地下微震源的定位以及破裂能量计算做准备。 

S400、对目标数据体中的每个体积单元，根据检波器的接收信号恢复原始信号。根据地面检波器接收到的微震信号，结合S300计算出的各体积单元与检波器的信号传播时间和路径衰减，得出地下微震源的空间分布。 

S500、计算各体积单元的能量，形成四维成像结果并输出。由于地下某一微震波传播至地面时会被多个检波器接收到，将各检波器接收到的微震信号进行反演得出某一点的微震信号，若微地震发生在这一点，则所得微地震信号会在此点叠加，若不是则所得微震信号会相互抵消。 

其中，所述需要监测的空间三维地质体通常以井水平井压裂层段参考，如距水平段中心1000M（X轴）*1000M（Y轴）*3000M（Z轴），M表示米。按照预设分辨率（如5M*5M*5M）将所述空间三维地质体划分为多个体积单元101（也可叫网格节点），如图2中所示的各个方格。空间三维地质体的顶面为地表最高点海拔的平面。监测的目的层为对应Z轴坐标距顶面的深度值。 

体积单元划分完成后，即可开始建立施工区域地层（即从目的层到地表的所有区域）的速度波模型。则在所述步骤S300中，速度波模型的建立方法包括： 

步骤1、在有井的区块，收集井声波和VSP测井（专用于求取准确地震速度的一种测井，可获得准确的时深关系，进而得到准确的地震平均速度和地震层速度），再结合时深表资料计算出井孔层速度V_int（相当于纵波）；以提高井的纵向分辨率，其中，井孔层速度V_int的公式如下：

，其中，

表示厚度; 表示通过该段厚度地层的双程时间，可用VSP资料直接求取；Hb、Ha分别为某一层段的底部深度值、顶部深度值；T_ob、T_on为通过地层底部与顶部的反射双轨时间。

步骤2、在无井的区块，通过速度普建立速度模型（将地层分层，同一层的传播速度相同），并根据速度普-DIX公式（常规层速度求取公式）将速度普转换为层速度，层速度沿构造层序内插得到层速度数据体，然后将层速度数据体转换为平均速度体（相当于横波），其公式如下： 

 

其中，、是相邻两地层的平均速度，t₀₁、t₀₂是从基准面至相邻两地层界面的反射双程时间。

本实施例中将地层分为多层，认为同一层中的传播速度相同。通过计算平均速度体来提高横向分辨率。 

步骤3、井与速度谱协同构建高精度的平均速度体V3，把井的纵向分辨率和速度谱的横向分辨率结合起来，在构造层序的约束下，得到高精度的速度波模型。 

现有的微地震监测技术都是默认微震波是以直线方式由震源处传播至地面检波器102的，而实际上由于地层结构复杂，地震波往往是以折射方式经地层的层层衰减才传至地面被检波器接收到的。本实施例通过引入速度波模型，在施工区域建立速度波模型，可以精确划分地层速度，对微震波震源进行反演定位的准确性大大提高。之后，再根据速度波模型进行射线追踪，计算各体积单元与检波器的信号（即微震波信号）传播时间和路径衰减，如图3所示。图3中仅示出微震波从震源处传播至地面某检波器的路线示意图。图3中需要监测的空间三维立方体10中、在各个层上分布了多个震源（以空间三维立方体10内部的圆点表示）。基于不同层地质结构不同，各震源处微震信号是以折射波形式传输至地面检波器的。由于大地坐标与数学坐标并不一致，在图3中，N表示正北方向、相当于X轴；E表示正东方向、相当于Y轴；D表示深度，相当于Z轴。通过确定震源映射在X、Y、Z轴上的坐标即可获得震源的几何位置。 

所述步骤S400中，所述目标数据体即选定需监测计算的空间三维地质体范围。在该空间三维地质体范围内，有的体积单元有微震波震源产生，有的体积单元没有。通过对所有的体积单元进行计算，有微震波震源的先定位震源坐标、再计算震源处破裂能量来描述裂缝形态；无微震波震源的保持当前能量状况（即无能量反应）。将所有体积单元的计算结果按照时间顺序整合起来即可获得裂缝的变化过程。则在步骤S400中，还包括计算微震波震源座；本实施例采用微震波震源定位原理来判定微震波震源坐标。 

假设有6个接收站接收到同一震源处信号，首先需要计算地面各接收站的P波到时时间与发震时刻的关系如下： 

         （1），

对上述公式（1）进行推导可得到公式（2），如下所示：

（2）；     其中，T1~T6表示任意六个接收站的P波到时，T0是发震时刻；(X1，Y1，Z1)…(X6，Y6，Z6)是各接收站的坐标，一般Z1~Z6的值默认为0；V_P是P波速度，(X0，Y0，Z0)是微震震源的空间坐标；T0，X0，Y0，Z0是待求的未知数。求解这一系列方程组（实际转化为矩阵求解），就可确定微震震源位置。在一段时间内，许许多多微震震源的空间分布可以描述裂缝实时轮廓，进而给出裂缝的方位、长度、高度、产状及地应力方向等地层参数。

上述公式（2）可写成标准系数矩阵形式，求解矩阵的方法很多，可以解出T0，X0，Y0；再把T0，X0，Y0代入公式（1）中就可以得出Z0，Z0就是相对压裂深度的裂缝高度，由于计算过程的累积作用，高度误差较大。 

本实施例中，可将上述公式（2）按照[A]=[K][B]方式矩阵化，其中，矩阵[A]写为： 

，

矩阵[B]写为：

，

矩阵[K]写为：

。

在具体实施时，也可以将上述公式（2）按照[K]=[A]×[B]-1  方式矩阵化，[B]-1是[B]的逆矩阵。此处对此不作详述。通过上述公式即可求得T0，X0，Y0值。 

本实施例中确定深度的方法是综合考虑各接收站走时的方法，即对以下任一组数据作为走时的函数进行线性回归，回归常数即为相对观测段（即从目的层某点到地面的高度Z0，其公式如下： 

。

依据上述计算过程即可确定微震波震源的空间位置（T0，X0，Y0，Z0）。 

微震波震源的空间分布能反应出地下裂缝的大体形态，裂缝从无到有，至不断扩展的变化形态则可通过破裂能量的变化过程形象的描述。由于微震波发出至传播到地表检波器时，传输过程中存在一定能量损耗和信号衰减，还有其他外界环境干扰。因此，检波器接收到的信号包括了剩余的微震波和杂波，在步骤S400中，对目标数据体中的每个体积单元，根据接收信号来恢复原始信号（即微震波原始的信号能量），也即是反演出微震波震源能量大小。则在步骤S500中，微震波震源处破裂能量S_c(k)的计算公式为： 

，

其中，k是被扫描的目标体积中第k个震源点，M是最大检波器数量， w是设定的时间窗口，f_ij是矢量迭加K点到所有采集站记录的信号振幅的平方，F是归一化因子。

对所有的接收站在时间窗口w内记录的f求和，并适当使用归一化因子(normalization_factor), 即得到k点的破裂能量S_c(k)，扫描目标体积中所有的数值点，即获得一段时间内破裂能量的分布。破裂传播到一个台站的较大振幅（主要能量）集中在一个时间段内。如果地震波速度分布已知，只要正确的移动（即射线追踪）各接收站的记录并迭加其振幅，破裂点处的破裂能量S_c(k)将会增强。 

通过对监测记录的能量数据进行反演叠加，得出地下能量场的分布趋势，从而立体的描述出裂缝的产状、方位、长度等信息（即四维成像结果）。如图4所示。从图4中可以看出，a时刻刚开始无地下能量场反应，之后在b时刻出现地下能量反应，c时刻地下能量反应随压裂施工进度的进行慢慢扩大，d时刻继续扩大；e时刻继续扩大且出现两个较高的能量区域，f时刻裂缝继续扩大且高能量区域也扩大、能量增加。图4清晰地反映出各个时刻地下能量的变化过程，亦反映出地下裂缝的变化过程，大大方便了微地震监测。 

现有的微地震监测技术仅以所测得的微震事件（判定的地下微震波震源）的分布来判定地下裂缝的几何形态，但实际上由于地层结构的非均质性，同一区域的地下应力场分布并不均匀以及天然裂缝的存在，这就造成了压裂施工时，压裂段近端的岩石未破裂可远端的岩石优先破裂的现象产生。针对现有有微地震技术的这一缺漏，本实施例将微地震监测技术与影像成图技术结合起来，运用无源地震的微地震三分量数据，进行多波（纵波和横波）振幅属性分析，并采用相关体数据计算处理方法，得出监测期内各时间域三维空间体地下储层岩石破裂和高压流体活动释放的能量分布情况。 

本发明实施例还相应提供一种用于实现所述四维微地震监测的裂缝形态处理方法的系统，如图5所示，所述系统包括： 

扫描模块110，选定需监测计算的空间三维地质体范围，按照预设分辨率将所述空间三维地质体划分为多个体积单元。一般为监测施工层段至地表，按照（5M*5M*5M）的分辨率将空间三维地质体划分为多个体积单元。

计算模块120，用于建立施工区域地层的速度波模型，根据速度波模型进行射线追踪，计算各体积单元与检波器的信号传播时间和路径衰减。 

恢复模块130，用于对目标数据体中的每个体积单元，根据检波器的接收信号恢复原始信号； 

能量图像模块140，用于计算各体积单元的能量，形成四维成像结果。相当于反演出微震波震源能量大小；记录破裂点不同时段的破裂能量，形成裂缝形态的各时段破裂能量图，从而反应裂缝发育过程中各时刻地下能量场分布。

由于上述系统中各个部分的功能已经在上述方法实施例中进行了详细介绍，此处不再赘述。 

综上所述，本发明按照预设网格将需要监测的空间区域划分为多个体积单元，按照一定分辨率将地质体划分为多个体积单元；根据速度模型进行射线追踪，计算各体积单元与检波器的信号传播时间和路径衰减；对目标数据体中的每个体积单元，根据检波器的接收信号，恢复原始信号；计算各体积单元的能量，形成四维(XYZT)成像结果。 

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。 

Claims (10)

1.一种四维微地震监测的裂缝形态处理方法，其特征在于，包括：

A、选定需监测计算的空间三维地质体范围；

B、按照预设分辨率将所述空间三维地质体划分为多个体积单元；

C、建立施工区域地层的速度波模型，根据速度波模型进行射线追踪，计算各体积单元与检波器的信号传播时间和路径衰减；

D、对目标数据体中的每个体积单元，根据检波器的接收信号恢复原始信号；

E、计算各体积单元的能量，形成四维成像结果并输出。

2.根据权利要求1所述的四维微地震监测的裂缝形态处理方法，其特征在于，在所述步骤D中，还包括：计算微震波震源座标；当有6个接收站接收到同一震源处的微震信号时，地面各接收站的P波到时时间与发震时刻的关系如下： 

        （1），  

对公式（1）进行推导可得到公式（2）：

（2），

其中，T1~T6表示任意六个接收站的P波到时，T0是发震时刻；(X1，Y1，Z1)…(X6，Y6，Z6)是各接收站的坐标，Z1~Z6的值默认为0；V_P是P波速度，(X0，Y0，Z0)是微震震源的空间坐标；T0，X0，Y0，Z0是待求的未知数。

3. 根据权利要求2所述的四维微地震监测的裂缝形态处理方法，其特征在于，所述公式（2）采用矩阵方式求解，将公式（2）按照[A]=[K][B]方式矩阵化，其中，矩阵[A]为：

，

矩阵[B]为：

，

矩阵[K]为：

。

4. 根据权利要求3所述的四维微地震监测的裂缝形态处理方法，其特征在于，从目的层某点到地面的高度Z0的公式如下：

，

微震波震源的空间位置为（T0，X0，Y0，Z0）。

5. 根据权利要求1所述的四维微地震监测的裂缝形态处理方法，其特征在于，在所述步骤E中，地震波震源处破裂能量的计算公式：

，

其中，k是被扫描的目标体积中第k个震源点，M是最大检波器数量，w是设定的时间窗口，f_ij是矢量迭加K点到所有采集站记录的信号振幅的平方，F是归一化因子。

6.一种用于实现权利要求1所述四维微地震监测的裂缝形态处理方法的系统，其特征在于，包括：

扫描模块，用于选定需监测计算的空间三维地质体范围, 按照预设分辨率将所述空间三维地质体划分为多个体积单元；

计算模块，用于建立施工区域地层的速度模型，根据速度模型进行射线追踪，计算各体积单元与检波器的信号传播时间和路径衰减；

恢复模块，对目标数据体中的每个体积单元，根据检波器的接收信号恢复原始信号；

能量图像模块，用于计算各体积单元的能量，形成四维成像结果并输出。

7.根据权利要求6所述的四维微地震监测的裂缝形态处理方法的系统，其特征在于，所述恢复模块还用于计算微震波震源座标；当有6个接收站接收到同一震源处的微震信号时，地面各接收站的P波到时时间与发震时刻的关系如下： 

        （1），  

对公式（1）进行推导可得到公式（2）：

（2），

其中，T1~T6表示任意六个接收站的P波到时，T0是发震时刻；(X1，Y1，Z1)…(X6，Y6，Z6)是各接收站的坐标，Z1~Z6的值默认为0；V_P是P波速度，(X0，Y0，Z0)是微震震源的空间坐标；T0，X0，Y0，Z0是待求的未知数。

8. 根据权利要求7所述的四维微地震监测的裂缝形态处理方法的系统，其特征在于，所述恢复模块对所述公式（2）采用矩阵方式求解，将公式（2）按照[A]=[K][B]方式矩阵化，其中，矩阵[A]为：

，

矩阵[B]为：

，

矩阵[K]为：

。

9.根据权利要求8所述的四维微地震监测的裂缝形态处理方法的系统，其特征在于，从目的层某点到地面的高度Z0的公式如下：

，

微震波震源的空间位置为（T0，X0，Y0，Z0）。

10. 根据权利要求7所述的四维微地震监测的裂缝形态处理方法的系统，其特征在于，所述能量图像模块计算地震波震源处破裂能量采用的计算公式为：

，

其中，k是被扫描的目标体积中第k个震源点，M是最大检波器数量， w是设定的时间窗口，f_ij是矢量迭加K点到所有采集站记录的信号振幅的平方，F是归一化因子。