CN105093274A - 一种水力压裂裂缝震源机制的反演方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水力压裂裂缝震源机制的反演方法及系统，该方法包括：根据地面各检波器的水平坐标计算各检波器相对于水力压裂裂缝震源的方位角；利用压裂井的声波时差测井数据建立水平层状速度模型；在水平层状速度模型、对前期微地震资料处理得到的微地震事件的震源定位结果以及检波器坐标位置的基础上，计算得到每个检波器相对于震源的离源角；根据各记录道与标准道的相关系数确定P波初动的极性；以所得到的各检波器的方位角和离源角、以及P波初动极性作为输入，得到最小矛盾符号比对应的断层的节面解。本发明建立了一套高效、实用的利用P波初动信息进行水力压裂裂缝震源机制反演的处理流程。

Description

一种水力压裂裂缝震源机制的反演方法及系统

技术领域

本发明涉及油藏开发领域，尤其涉及一种水力压裂裂缝震源机制的反演方法及系统。

背景技术

在石油开采领域，微地震监测技术的应用主要是通过监测水力压裂过程中产生的微震信号来监测压裂过程、评价压裂效果，进而指导优化工程参数。

在北美地区，微地震监测技术已广泛应用于水力压裂裂缝监测、高压注入作业产生的油藏动态监测等业务领域，并获得了石油工业界的高度认可，成为油气开发过程中一项信息丰富、精确、及时的监测技术。微地震监测技术是非常规资源开发中进行水力压裂裂缝实时监测的重要手段之一。

国外方面，例如美国微地震公司(MSI)提出了水力压裂裂缝成像技术(HFM)，该技术用于裂解裂缝尺寸、几何形状以及其复杂性，为改善钻井和完井工程提供参考。这其中就包括以震源定位、震源机制反演、裂缝几何尺寸计算以及有效压裂体积(SRV)计算为代表的一套微地震资料处理解释技术方法。Global公司的TFI技术同样也提供震源机制的反演，其中包括复杂裂缝和应力场的反演。该震源机制的反演通过矩张量分解对裂缝的性质进行描述，计算微地震事件的标量地震矩，进而估计微地震事件大小。布拉格的Charles大学研究了微地震中普遍存在的张剪型裂缝震源机制，通过P波和S波的初动记性及P、S波振幅比，能够有效识别张裂型裂缝。

参照国外先进的理论和技术方法，国内许多油田引入和开发了微地震监测技术，为油田解决了一些亟待解决的问题。例如，东方地球物理勘探公司依靠多年沉淀的VSP技术，剖析微地震井中监测原理，对微地震事件识别、自动筛选、偏振分析、事件定位等一系列关键技术进行攻关。该技术在吉林、吐哈、长庆、西南等油气田的水力压裂过程监测及压裂效果评价中都取得了比较好的应用效果。

但是，纵观整个油气勘探与开发领域，并没有关于水力压裂裂缝震源机制反演的相关方法研究以及应用实例。

发明内容

本发明所要解决的技术问题之一是需要提供一种高效、实用的水力压裂裂缝震源机制的反演方法及系统。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种水力压裂裂缝震源机制的反演方法，该方法包括：步骤一，根据地面各检波器的水平坐标计算各检波器相对于水力压裂裂缝震源的方位角；步骤二，利用压裂井的声波时差测井数据建立水平层状速度模型；步骤三，在由声波时差测井数据得到的水平层状速度模型、对前期微地震资料处理得到的微地震事件的震源定位结果以及检波器坐标位置的基础之上，利用射线追踪方法，计算得到每个检波器相对于震源的离源角；步骤四，将各记录道的P波震相叠加得到标准道，根据各记录道与标准道的相关系数确定P波初动的极性；步骤五，以所得到的各检波器的方位角和离源角、以及P波初动极性作为输入，采用格点搜索的方法，对断层的三个空间参数进行全空间搜索，得到最小矛盾符号比对应的断层的节面解，其中，这三个空间参数包括方位角、倾角和滑动角。

在一个实施例中，在所述步骤一中，利用以下公式来计算各检波器相对于水力压裂裂缝震源的方位角θ：

$\mathrm{\θ}=a\tan \frac{\mathrm{GX}-\mathrm{SX}}{\mathrm{GY}-\mathrm{SY}}\×180\÷\mathrm{\π},$

其中，GX、GY为检波器的水平坐标，SX、SY为水力压裂裂缝震源的水平坐标。

在一个实施例中，在所述步骤二中，利用声波时差与声波速度的转换关系来建立水平层状速度模型，其中，声波时差与声波速度的换算关系为：

$v_p=\frac{1}{\mathrm{\Δt}}\×{10}^6,$

其中，v_p为声波速度，Δt为声波时差。

在一个实施例中，在所述步骤四中，利用如下公式来计算各记录道与标准道的相关系数R：

$R=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(x_i-\stackrel{\‾}{x})(y_i-\stackrel{\‾}{y})}{\sqrt{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(x_i-\stackrel{\‾}{x})}^2\·\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(y_i-\stackrel{\‾}{y})}^2}}$

其中，n为记录的采样点数，x_i和y_i分别为记录道和标准道在第i个采样点的值，和分别为记录道和标准道所有样点值的平均值；在相关系数大于0时确定P波初动的极性为正极性，在相关系数小于0时确定P波初动的极性为负极性。

在一个实施例中，所述矛盾符号比定义为：

Ψ是任一断层参数组合(φ,δ,λ)的函数：Ψ＝f(φ,δ,λ)。

根据本发明的另一方面，还提供了一种水力压裂裂缝震源机制的反演系统，该系统包括：方位角计算模块，其根据地面各检波器的水平坐标计算各检波器相对于水力压裂裂缝震源的方位角；模型建立模块，其利用压裂井的声波时差测井数据建立水平层状速度模型；离源角计算模块，其在由声波时差测井数据得到的水平层状速度模型、对前期微地震资料处理得到的微地震事件的震源定位结果以及检波器坐标位置的基础之上，利用射线追踪方法，计算得到每个检波器相对于震源的离源角；P波初动极性确定模块，其将各记录道的P波震相叠加得到标准道，根据各记录道与标准道的相关系数确定P波初动的极性；节面解计算模块，其以所得到的各检波器的方位角和离源角、以及P波初动极性作为输入，采用格点搜索的方法，对断层的三个空间参数进行全空间搜索，得到最小矛盾符号比对应的断层的节面解，其中，这三个空间参数包括方位角、倾角和滑动角。

在一个实施例中，所述方位角计算模块利用以下公式来计算各检波器相对于水力压裂裂缝震源的方位角θ：

$\mathrm{\θ}=a\tan \frac{\mathrm{GX}-\mathrm{SX}}{\mathrm{GY}-\mathrm{SY}}\×180\÷\mathrm{\π},$

其中，GX、GY为检波器的水平坐标，SX、SY为水力压裂裂缝震源的水平坐标。

在一个实施例中，所述模型建立模块利用声波时差与声波速度的转换关系来建立水平层状速度模型，其中，声波时差与声波速度的换算关系为：

$v_p=\frac{1}{\mathrm{\Δt}}\×{10}^6,$

其中，v_p为声波速度，Δt为声波时差。

在一个实施例中，所述P波初动极性确定模块利用如下公式来计算各记录道与标准道的相关系数R：

$R=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(x_i-\stackrel{\‾}{x})(y_i-\stackrel{\‾}{y})}{\sqrt{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(x_i-\stackrel{\‾}{x})}^2\·\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(y_i-\stackrel{\‾}{y})}^2}}$

其中，n为记录的采样点数，x_i和y_i分别为记录道和标准道在第i个采样点的值，和分别为记录道和标准道所有样点值的平均值；

在相关系数大于0时确定P波初动的极性为正极性，在相关系数小于0时确定P波初动的极性为负极性。

在一个实施例中，所述矛盾符号比定义为：

Ψ是任一断层参数组合(φ,δ,λ)的函数：Ψ＝f(φ,δ,λ)。

与现有技术相比，本发明的一个或多个实施例可以具有如下优点：

综上所述，本发明提出了一种利用P波初动信息对水力压裂裂缝震源机制进行反演的方法，根据本发明所建立的地层速度模型和所拾取的P波初动极性，建立了一套高效、实用的利用P波初动信息进行水力压裂裂缝震源机制反演的处理流程。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是剪切断层的地面极性分布示意图；

图2是震源球上的极性分布示意图；

图3是断层的节面解与极性关系示意图；

图4是根据本发明一实施例的水力压裂裂缝震源机制的反演方法的流程示意图；

图5是检波器与震源水平方向的位置分布图；

图6A和图6B分别是声波时差测井曲线和速度模型的示意图；

图7是检波器与震源的离源角示例图；

图8是断层空间取向的参数示意图；

图9是地面微地震监测记录的示例图；

图10是震源机制解的震源球的表示图；

图11是根据本发明另一实施例的水力压裂裂缝震源机制的反演系统的结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

另外，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

第一实施例

需要说明的是，本发明的实施例提供了一种针对水力压裂地面微地震监测资料的震源机制反演方法，并建立一套可靠、实用、高效的微地震震源机制反演流程。所谓“震源机制”是从天然地震领域引入的一个概念，其是指震源区在地震发生时的力学过程。

本实施例的方法主要是利用P波初动的信息来进行水力压裂裂缝震源机制的反演。其理论基础是：断层在地下发生纯剪切错动时，在地面接收到的P波震相具有其初动极性为四象限分布的特性。图1给出了剪切错动断层模型及其地面极性分布的示意图。如图1所示，AA'为断层共轭的节面，靠近A方向的节面的初至运动方向为反向，其P波初动极性为负极，靠近A'方向的节面的初至运动方向为正向(如图中▲所示)，其P波初动极性为正极。将P波初动极性投影到以断层(可看做一个点源模型)为中心、半径很小的一个球面上(如图2所示)，这时可以看到这个球面被两个正交的节面分为四部分，每一部分内部P波初动极性的符号都是相同的。这两个节面一个为断层面(例如AA')，另一个称为辅助面(BB')。为了更加直观地显示，通常将震源球面上极性分布投影到震源球的赤平面上(如图3所示)，这时两个节面的投影(节面1和节面2)同样将圆面分为了正负相间的四部分。在利用P波初动极性进行震源机制反演时，将地面检波器接收的P波初动的极性投影到震源球的赤平面上，然后根据极性分布反演出两个节面的位置，即断层的节面解。

图4是根据本发明一实施例的水力压裂裂缝震源机制的反演方法的流程示意图，下面参考图4来详细说明本实施例的各个步骤。

步骤S110，根据地面各检波器的水平坐标计算各检波器相对于水力压裂裂缝震源的方位角。

具体地，可以采用以下计算公式来计算上述的方位角：

$\mathrm{\θ}=a\tan \frac{\mathrm{GX}-\mathrm{SX}}{\mathrm{GY}-\mathrm{SY}}\×180\÷\mathrm{\π},$

其中，GX、GY和SX、SY分别为检波器和水力压裂裂缝震源点的水平坐标。例如，若震源和检波器的水平坐标分别为(0，0)和(100，100)，则该检波器相对于震源的方位角为45°。

图5显示了检波器与震源在大地坐标上的分布图，其中横坐标表示纬度方向坐标值，纵坐标表示经度方向坐标值，图中“·”表示观测点(检波器位置)，“■”表示震源位置。

在图5中，将正北方向设定为检波器相对于震源的方位角为0°，按顺时针方向旋转，方位角呈逐渐增大趋势，方位角范围可以为[0°，360°)。

步骤S120，利用压裂井的声波时差测井数据建立水平层状速度模型。

需要说明的是，由于地面微地震监测的范围通常在几公里的范围内，本实施例优选地不考虑地层速度模型的横向变化。利用压裂井的声波时差测井资料计算水平层状速度模型，这样得到的速度模型可以比较准确地反映井口周围地层的速度变化情况。

具体地，在该步骤中，利用声波时差与声波速度的转换关系来建立水平层状速度模型。声波时差与声波速度的换算关系为：其中v_p为声波速度，单位为米/秒，Δt为声波时差，单位为微秒/米。

图6A为压裂井的声波时差测井的曲线图。通过对这些压裂井的声波时差测井资料进行计算得到如图6B所示的地层速度模型。

步骤S130，在由声波时差测井数据得到的水平层状速度模型、对前期微地震资料处理得到的微地震事件的震源定位结果以及检波器坐标位置基础之上，利用射线追踪方法，计算得到每个检波器相对于震源对应的离源角。

以图7为例，利用水平层状介质中的射线追踪方法，计算出一个检波器与震源之间的射线路径(图中l₁、l₂、l₃所示)，进而得到该检波器相对于震源的离源角，即l₃的射线方向与垂直方向之间夹角β。

步骤S140，将各记录道的P波震相叠加得到标准道，根据各记录道与标准道的相关系数确定P波初动的极性，其中，相关系数大于0记为正极性，相关系数小于0记为负极性。

具体地，相关系数R的计算公式为：

$R=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(x_i-\stackrel{\‾}{x})(y_i-\stackrel{\‾}{y})}{\sqrt{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(x_i-\stackrel{\‾}{x})}^2\·\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(y_i-\stackrel{\‾}{y})}^2}}$

其中，n为记录的采样点数，x_i和y_i分别为记录道和标准道在第i个采样点的值，和分别为记录道和标准道所有样点值的平均值。

通过利用建立标准道的方法来获取P波初动的极性，能够大幅提高P波初动极性拾取的效率，同时又在一定程度上保证了拾取结果的准确性。

这是因为，地面微地震监测往往持续数个小时，得到的数据量远远大于天然地震的数据量，也就是说P波震相的数量也远远多于天然地震监测资料中P波震相的数量，所以人工拾取P波初动极性方法的效率太低。

步骤S150，以所得到的各检波器的方位角和离源角、以及P波初动极性作为输入，采用格点搜索的方法，对断层的三个空间参数(方位角φ，倾角δ，滑动角λ)进行全空间搜索，得到最小矛盾符号比对应的断层的节面解(断层面和辅助面)。

具体地，矛盾符号比定义为：

Ψ可以看成是任一断层参数组合(φ,δ,λ)的函数：Ψ＝f(φ,δ,λ)。这一步骤的目标就是求解出一组特定的(φ,δ,λ)使Ψ达到最小。

图8为一断层模型。其中，φ为断层的方位角(定义为断层走向与正北方向的夹角)，为断层的倾角(定义为断层面与水平方向之间的夹角)，λ为断层的滑动角(定义为断层上盘相对于下盘的滑动方向与断层走向之间的夹角)。

为了进一步说明上述反演方法的可行性，选取了中国某地区的一口压裂井的地面微地震监测数据对该方法进行了测试。

图9为从监测数据中所选取的一个微地震事件。通过使用本实施例的反演方法，反演得到该微地震事件的震源机制解。

图10为与该震源机制解对应的震源球表示图，从图中可以看出，对于节面1：方位角＝-0.4°，倾角＝70.5°，滑动角＝116.8°；对于节面2：方位角＝122.9°，倾角＝32.7°，滑动角＝38.0°。

综上所述，本发明提出了一种利用P波初动信息对水力压裂裂缝震源机制进行反演的方法，根据本发明所建立的地层速度模型和所拾取的P波初动极性，建立了一套高效、实用的利用P波初动信息进行水力压裂裂缝震源机制反演的处理流程。

第二实施例

图11是根据本发明另一实施例的水力压裂裂缝震源机制的反演系统的结构示意图。下面参考图11来详细说明该系统的结构和功能。

如图11所示，该系统包括方位角计算模块111、模型建立模块112、离源角计算模块113、P波初动极性确定模块114和节面解计算模块115。上述这五个模块分别执行第一实施例中的步骤S110、步骤S120、步骤S130、步骤S140以及步骤S150，在此不再赘述。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人员在本发明所公开的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种水力压裂裂缝震源机制的反演方法，该方法包括：

步骤一，根据地面各检波器的水平坐标计算各检波器相对于水力压裂裂缝震源的方位角；

步骤二，利用压裂井的声波时差测井数据建立水平层状速度模型；

步骤三，在由声波时差测井数据得到的水平层状速度模型、对前期微地震资料处理得到的微地震事件的震源定位结果以及检波器坐标位置的基础之上，利用射线追踪方法，计算得到每个检波器相对于震源的离源角；

步骤四，将各记录道的P波震相叠加得到标准道，根据各记录道与标准道的相关系数确定P波初动的极性；

步骤五，以所得到的各检波器的方位角和离源角、以及P波初动极性作为输入，采用格点搜索的方法，对断层的三个空间参数进行全空间搜索，得到最小矛盾符号比对应的断层的节面解，其中，这三个空间参数包括方位角、倾角和滑动角。

2.根据权利要求1所述的反演方法，其特征在于，在所述步骤一中，利用以下公式来计算各检波器相对于水力压裂裂缝震源的方位角θ：

$\mathrm{\θ}=a\tan \frac{\mathrm{GX}-\mathrm{SX}}{\mathrm{GY}-\mathrm{SY}}\×180\÷\mathrm{\π},$

其中，GX、GY为检波器的水平坐标，SX、SY为水力压裂裂缝震源的水平坐标。

3.根据权利要求1或2所述的反演方法，其特征在于，在所述步骤二中，

利用声波时差与声波速度的转换关系来建立水平层状速度模型，其中，声波时差与声波速度的换算关系为：

$v_p=\frac{1}{\mathrm{\Δt}}\×{10}^6,$

其中，v_p为声波速度，Δt为声波时差。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的反演方法，其特征在于，在所述步骤四中，利用如下公式来计算各记录道与标准道的相关系数R：

$R=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(x_i-\stackrel{\‾}{x})(y_i-\stackrel{\‾}{y})}{\sqrt{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(x_i-\stackrel{\‾}{x})}^2\·\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(y_i-\stackrel{\‾}{y})}^2}}$

其中，n为记录的采样点数，x_i和y_i分别为记录道和标准道在第i个采样点的值，和分别为记录道和标准道所有样点值的平均值；

在相关系数大于0时确定P波初动的极性为正极性，在相关系数小于0时确定P波初动的极性为负极性。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的反演方法，其特征在于，

所述矛盾符号比定义为：

Ψ是任一断层参数组合(φ,δ,λ)的函数：Ψ＝f(φ,δ,λ)。

6.一种水力压裂裂缝震源机制的反演系统，该系统包括：

方位角计算模块，其根据地面各检波器的水平坐标计算各检波器相对于水力压裂裂缝震源的方位角；

模型建立模块，其利用压裂井的声波时差测井数据建立水平层状速度模型；

离源角计算模块，其在由声波时差测井数据得到的水平层状速度模型、对前期微地震资料处理得到的微地震事件的震源定位结果以及检波器坐标位置的基础之上，利用射线追踪方法，计算得到每个检波器相对于震源的离源角；

P波初动极性确定模块，其将各记录道的P波震相叠加得到标准道，根据各记录道与标准道的相关系数确定P波初动的极性；

节面解计算模块，其以所得到的各检波器的方位角和离源角、以及P波初动极性作为输入，采用格点搜索的方法，对断层的三个空间参数进行全空间搜索，得到最小矛盾符号比对应的断层的节面解，其中，这三个空间参数包括方位角、倾角和滑动角。

7.根据权利要求7所述的反演系统，其特征在于，所述方位角计算模块利用以下公式来计算各检波器相对于水力压裂裂缝震源的方位角θ：

$\mathrm{\θ}=a\tan \frac{\mathrm{GX}-\mathrm{SX}}{\mathrm{GY}-\mathrm{SY}}\×180\÷\mathrm{\π},$

其中，GX、GY为检波器的水平坐标，SX、SY为水力压裂裂缝震源的水平坐标。

8.根据权利要求6或7所述的反演系统，其特征在于，

所述模型建立模块利用声波时差与声波速度的转换关系来建立水平层状速度模型，其中，声波时差与声波速度的换算关系为：

$v_p=\frac{1}{\mathrm{\Δt}}\×{10}^6,$

其中，v_p为声波速度，Δt为声波时差。

9.根据权利要求6至8中任一项所述的反演系统，其特征在于，所述P波初动极性确定模块利用如下公式来计算各记录道与标准道的相关系数R：

$R=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(x_i-\stackrel{\‾}{x})(y_i-\stackrel{\‾}{y})}{\sqrt{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(x_i-\stackrel{\‾}{x})}^2\·\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(y_i-\stackrel{\‾}{y})}^2}}$

其中，n为记录的采样点数，x_i和y_i分别为记录道和标准道在第i个采样点的值，和分别为记录道和标准道所有样点值的平均值；

在相关系数大于0时确定P波初动的极性为正极性，在相关系数小于0时确定P波初动的极性为负极性。

10.根据权利要求6至9中任一项所述的反演系统，其特征在于，

所述矛盾符号比定义为：

Ψ是任一断层参数组合(φ,δ,λ)的函数：Ψ＝f(φ,δ,λ)。