CN109655918B - 地面浅井微地震监测观测台站位置确定方法及系统 - Google Patents
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Abstract
公开了一种地面浅井微地震监测观测台站位置确定方法及系统。该方法可以包括:获取压裂区块的工区数据,分析设置监测观测台的影响因素;根据压裂区块的地质资料与地表勘探资料,建立三维地质模型;对三维地质模型进行浅地表面波的正演模拟,得到面波随深度衰减曲线,确定埋置深度;分析压裂区块分布与目的层深度,进行水力压裂微地震震源分布模拟,确定最大横向布设范围;根据影响因素,确定监测观测台的布设方式,确定监测观测台站的数量;根据监测观测台的埋置深度、最大横向布设范围、布设方式与数量确定布设坐标。本发明能减低采集成本,减少地震记录数据量,加快计算效率,在多井长期监测和开发区阶段具有一定的优势。
Description
技术领域
本发明涉及石油地球物理勘探领域,更具体地,涉及一种地面浅井微地震监测观测台站位置确定方法及系统。
背景技术
微地震压裂监测技术现在已成为致密储层油气田开发中一项常用的监测技术,现阶段主要以井中监测、地面监测为主。
井中监测方式:检波器位于井下、距离压裂裂缝位置近,微地震信号衰减小、接收到的微地震信号强,环境噪声干扰小,信噪比高,但存在着一些局限性,如井下观测要求检波器能够适应井下恶劣环境、对设备要求高、成本较大、监测范围有限,以及不适合进行永久监测等。
地面监测方式在压裂井段上方地面布设若干接收点或测线进行微地震监测。与井中监测相比,由于地面环境噪声干扰多、地层吸收衰减较大、传播路径复杂等原因,地面监测资料信号能量弱、信噪比低,但地面检波器布设容易,布设范围广,并且不需要观测井,避免了无观测井等因素的限制。因此,有必要开发一种地面浅井微地震监测观测台站位置确定方法及系统。
公开于本发明背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的一般背景技术的理解,而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明提出了一种地面浅井微地震监测观测台站位置确定方法及系统,能减低采集成本,减少地震记录数据量,加快计算效率,在多井长期监测和开发区阶段具有一定的优势。
根据本发明的一方面,提出了一种地面浅井微地震监测观测台站位置确定方法。所述方法可以包括:获取压裂区块的工区数据,分析设置监测观测台的影响因素;根据所述压裂区块的地质资料与地表勘探资料,建立三维地质模型;根据所述三维地质模型,进行浅地表面波的正演模拟,得到所述压裂区块中的面波随深度衰减的曲线,进而确定所述监测观测台的埋置深度;分析所述压裂区块的分布与目的层深度,对各区块进行水力压裂微地震震源分布模拟,获得储层压裂裂缝波及横向分布范围,确定所述监测观测台的最大横向布设范围;根据所述影响因素,利用协方差矩阵、置信椭球体确定所述监测观测台的布设方式,进而确定所述监测观测台站的数量;根据所述监测观测台的埋置深度、最大横向布设范围、布设方式与数量确定所述监测观测台的布设坐标。
优选地,所述水力压裂微地震震源分布模拟包括:基于水力压裂裂缝的形态,确定震源分布模拟参数;在震源分布范围内,分别在长短轴长度范围内均匀采样,计算每个采样点的概率密度函数,进而获取正态分布随机数;根据所述正态分布随机数、裂缝的方位角与倾角,计算微地震震源的坐标。
优选地,每个采样点的概率密度函数为:
其中,x为采样点,f(x)为采样点的概率密度函数,μ为数学期望,σ为均方差。
优选地,所述微地震震源的坐标为:
其中,(x0,y0,z0)为采样点坐标;shortx、shorty、shortz为震源的坐标,δ为裂缝的倾角、φ为裂缝的方位角。
优选地,确定所述监测观测台的布设方式包括:对给定的震源点区域,划定接收点区域,并对所述接收点区域进行网格剖分;根据置信椭球体确定微地震震源的定位误差,基于微地震震源的概率密度函数,建立目标函数,进而确定所述监测观测台的布设方式。
优选地,所述目标函数为:
根据本发明的另一方面,提出了一种地面浅井微地震监测观测台站位置确定系统,可以包括:存储器,存储有计算机可执行指令;处理器,所述处理器运行所述存储器中的计算机可执行指令,执行以下步骤:获取压裂区块的工区数据,分析设置监测观测台的影响因素;根据所述压裂区块的地质资料与地表勘探资料,建立三维地质模型;根据所述三维地质模型,进行浅地表面波的正演模拟,得到所述压裂区块中的面波随深度衰减的曲线,进而确定所述监测观测台站的埋置深度;分析所述压裂区块的分布与目的层深度,对各区块进行水力压裂微地震震源分布模拟,获得储层压裂裂缝波及横向分布范围,确定所述监测观测台站的最大横向布设范围;根据所述影响因素,利用协方差矩阵、置信椭球体确定所述监测观测台站的布设方式,进而确定所述监测观测台站的数量;根据所述监测观测台站的埋置深度、最大横向布设范围、布设方式与数量确定所述监测观测台站的布设坐标。
优选地,所述水力压裂微地震震源分布模拟包括:基于水力压裂裂缝的形态,确定震源分布模拟参数;在震源分布范围内,分别在长短轴长度范围内均匀采样,计算每个采样点的概率密度函数,进而获取正态分布随机数;根据所述正态分布随机数、裂缝的方位角与倾角,计算微地震震源的坐标。
优选地,所述微地震震源的坐标为:
其中,(x0,y0,z0)为采样点坐标;shortx、shorty、shortz为震源的坐标,δ为裂缝的倾角、φ为裂缝的方位角。
优选地,确定所述监测观测台的布设方式包括:对给定的震源点区域,划定接收点区域,并对所述接收点区域进行网格剖分;根据置信椭球体确定微地震震源的定位误差,基于微地震震源的概率密度函数,建立目标函数,进而确定所述监测观测台的布设方式。
本发明的有益效果在于:(1)能避免地表低速带引起的定位误差;(2)有效减少地面环境噪音影响;(3)微地震信号能量更强、频带更宽、信噪比更高;(4)可以减少观测点数,降低监测成本,适用于多井组及油气田开发区阶段,进行永久性的埋置监测,是一种精确有效的微地震监测观测方式。
本发明的方法和装置具有其它的特性和优点,这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施方式中将是显而易见的,或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施方式中进行详细陈述,这些附图和具体实施方式共同用于解释本发明的特定原理。
附图说明
通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述,本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显,其中,在本发明示例性实施例中,相同的参考标号通常代表相同部件。
图1示出了根据本发明的地面浅井微地震监测观测台站位置确定方法的步骤的流程图。
图2示出了根据本发明的一个实施例的水平层状介质模型的示意图。
图3示出了根据本发明的一个实施例的面波方程的根的示意图。
图4示出了根据本发明的一个实施例的工区的速度模型的示意图。
图5示出了根据本发明的一个实施例的面波随深度衰减曲线的示意图。
图6示出了根据本发明的一个实施例的地面浅井微地震监测最优化平面观测系统的示意图。
图7示出了根据图6观测系统的模拟地面浅井微地震监测记录的示意图。
图8示出了根据图6观测系统的计算微地震事件的震源位置的示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明。虽然附图中显示了本发明的优选实施例,然而应该理解,可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反,提供这些实施例是为了使本发明更加透彻和完整,并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
图1示出了根据本发明的地面浅井微地震监测观测台站位置确定方法的步骤的流程图。
在该实施例中,根据本发明的地面浅井微地震监测观测台站位置确定方法可以包括:步骤101,获取压裂区块的工区数据,分析设置监测观测台的影响因素,影响因素包括地表地形、工区的地表岩性分析、压裂井的深度等,都直接影响微地震监测台站的布设方式,不同的布设方式将影响到接收到资料的信号比和布设成本,对后期微地震资料处理影响甚多,因此,需要根据影响因素分析,在最小成本的前提下,得到高信噪比的资料;步骤102,根据压裂区块的地质资料与地表勘探资料,建立三维地质模型;步骤103,根据三维地质模型,进行浅地表面波的正演模拟,得到压裂区块中的面波随深度衰减的曲线,进而确定监测观测台的埋置深度;步骤104,分析压裂区块的分布与目的层深度,对各区块进行水力压裂微地震震源分布模拟,获得储层压裂裂缝波及横向分布范围,确定监测观测台的最大横向布设范围;步骤105,根据影响因素,利用协方差矩阵、置信椭球体确定监测观测台的布设方式,进而确定监测观测台站的数量;步骤106,根据监测观测台的埋置深度、最大横向布设范围、布设方式与数量确定监测观测台的布设坐标。
在一个示例中,水力压裂微地震震源分布模拟包括:基于水力压裂裂缝的形态,确定震源分布模拟参数;在震源分布范围内,分别在长短轴长度范围内均匀采样,计算每个采样点的概率密度函数,进而获取正态分布随机数;根据所述正态分布随机数、裂缝的方位角与倾角,计算微地震震源的坐标。
在一个示例中,每个采样点的概率密度函数为:
其中,x为采样点,f(x)为采样点的概率密度函数,μ为数学期望,σ为均方差。
在一个示例中,微地震震源的坐标为:
其中,(x0,y0,z0)为采样点坐标;shortx、shorty、shortz为震源的坐标,δ为裂缝的倾角、φ为裂缝的方位角。
在一个示例中,确定监测观测台的布设方式包括:对给定的震源点区域,划定接收点区域,并对接收点区域进行网格剖分;根据置信椭球体确定微地震震源的定位误差,基于微地震震源的概率密度函数,建立目标函数,进而确定监测观测台的布设方式。
在一个示例中,目标函数为:
具体地,获取压裂区块的工区数据,分析设置监测观测台的影响因素,其中,工区数据包括:自然地理及环境概况、压裂井组相关地质资料及完井的基本数据;其中压裂井组资料为重点资料,根据其压裂井的地理位置、井地深度剖面、目的层、水平井的长度、方位和压裂的实施有效的范围,分析确定地面浅井微地震监测的大致监测的可控范围。
根据压裂区块的地质资料与地表勘探资料,建立三维地质模型,通过压裂区块的基本地质资料(各井组的声波测井资料、井资料等),结合野外地表勘探资料(地表起伏、公路、河道等),建立地面浅井微地震监测的可控范围内的三维地质模型(包括纵横波的速度),为后期的压裂信号和噪音模拟做基础准备。
根据三维地质模型,进行浅地表面波的正演模拟,得到压裂区块中的面波随深度衰减的曲线,进而确定监测观测台的埋置深度;浅地表噪音主要包括瑞利波(Rayleigh波)、勒夫波(Love波)、复杂浅地表引起的噪音和环境噪音。复杂的近地表环境对地震波传播特性影响显著,其地形特征对地震波能量的放大与衰减具有重要作用,地震面波作为近地表波场中重要组成成分,通过面波正演模拟对观测系统埋深设计提供可靠建议,尽量避开不利地形。引用广义反投射系数法求解瑞利波(Rayleigh波)记录,这种方法主要适用于水平层状介质地形,其方法原理如下:
图2示出了根据本发明的一个实施例的水平层状介质模型的示意图。
图3示出了根据本发明的一个实施例的面波方程的根的示意图。
如图2所示的水平层状介质模型,在半空间下有N层水平均匀介质,每层介质的顶底界面分别为z=z(j-1)和z=z(j)。顶层界面为z=z(0),是自由表面,点源位于第s层。各层弹性参数为λ(j),μ(j)和ρ(j),由点源激发的位移场u(x,t),在第j层(z(j-1)<z<z(j))的弹性动力学方程控制为:
其中,A(j)为系数矩阵,Y(j)(z)边界条件。
对应得SH波和P-SV波的控制方程不同,引入广义反透射系数,求取其它层的常系数表达式并带入通式,即可得到面波对应的频率的特征函数,如图3所示。
由于瑞利面波的能量主要集中在一个波长范围内,它的穿透深度大约为一个波长,因此,在地表测得的瑞利面波波速反映了小于一个波长的某一深度范围内介质的平均弹性性质。不同频率的瑞利面波,具有不同的相速度和波长。正是因为具有速度频散的特性,通过对不同频率成分的瑞利面波相速度的测量,可反映不同深度范围内介质的性质。
由于地面浅井微地震监测微地震信号主要的主频范围在50Hz-70Hz的范围内,所以主要分析其对50Hz-70Hz频带范围瑞利面波衰减的趋势,找到其瑞利面波衰减为零的主要深度,结合采集成本的因素,确定其观测台站的最佳埋置深度。
分析压裂区块的分布与目的层深度,对各区块进行水力压裂微地震震源分布模拟,基于水力压裂裂缝的形态,确定震源分布模拟参数;水力压裂微地震震源分布模拟包括:基于水力压裂裂缝形态具有椭圆的拓展特征,因而在三维微地震震源分布模拟中,通过以下参数震源分布:压裂中心点坐标、椭圆长轴长度、短轴长度、裂缝方位角、裂缝倾角、震源个数。通过以上五个参数和震源个数就能刻画水力压裂裂缝的形态。考虑到水力压裂震源随机分布,即在压裂中心附近震源较多,远离压裂中心点处震源较少,所以产生震源时,分别在长短轴长度的范围内均匀采样,计算各个采样点的概率密度函数为公式(1),然后按照一定的概率采用拒绝采样的方式产生正态分布随机数,在μ附近概率密度大,远离μ处概率密度小,所以当均匀采样后,μ处的点数较多,远离μ点数较少,通过这种办法来筛选,然后结合裂缝的方位角和倾角根据下式计算微地震震源的坐标为公式(2),另外在震源生成时,按照距离压裂中心点的远近,随机生成激发时间。通过以上步骤可以控制震源的分布,使模拟震源更接近于水力压裂微地震震源特征,进而得到微地震记录,确定监测观测台的最大横向布设范围。
根据影响因素,利用协方差矩阵、置信椭球体确定监测观测台的布设方式,对给定的震源点区域,划定接收点区域,并对接收点区域进行网格剖分,微地震震源的定位误差由置信椭球体的体积决定,体积越小,震源的定位误差越小,由于置信椭球体的三个主轴分别是待求变量的协方差矩阵的特征值,因而可通过计算最小的置信椭球体体积来优化接收点布置网络(对于一个震源点)为公式(6):
由于每个震源点对接收点布置的敏感性不同,为了避免敏感性差的震源点对接收点的布置有较大的影响,所以需要加入一个加权系数,这里就用震源点的概率密度函数p(si)来作为加权系数,当震源点s的个数为Ne时,根据置信椭球体确定微地震震源的定位误差,基于微地震震源的概率密度函数,建立目标函数为公式(3),对给定的震源点区域,先划定最佳的接收点布置区域,并对该接收点区域进行网格剖分;其次,确定几个初始的接收点,利用公式(3)作为目标函数,选择一种合适的最优化方法通过迭代运算确定监测观测台的布设方式,进而选取不同台站个数的观测系统,对其进行微地震定位,从定位精度误差和观测台站个数的线性关系,找到影响精度提高的最佳点,确定监测观测台站的数量;根据监测观测台的埋置深度、最大横向布设范围、布设方式与数量确定监测观测台的布设坐标。
本方法能减低采集成本,减少地震记录数据量,加快计算效率,在多井长期监测和开发区阶段具有一定的优势。
应用示例
为便于理解本发明实施例的方案及其效果,以下给出一个具体应用示例。本领域技术人员应理解,该示例仅为了便于理解本发明,其任何具体细节并非意在以任何方式限制本发明。
图4示出了根据本发明的一个实施例的工区的速度模型的示意图。
图5示出了根据本发明的一个实施例的面波随深度衰减曲线的示意图。
选取一口垂直井压裂的为实例,根据已有的声波测井曲线进行观测系统设计,其选取的参数有:速度如图4所示:17层,泊松体。
根据面波随深度衰减的规律曲线,如图4-5所示,在第二层和第三层时,其在主频在50Hz-70Hz的范围内,面波衰减为零,可以有效的减低其浅地表面波的干扰,提高信噪比,因此将台站的深度埋置在150m的上下范围,可以减少面波的干扰;考虑到采集成本的问题,在第一层100米的深度,其面波在水平分量衰减为零,综合考虑,在100米的埋置深度是减少面波干扰和采集成本的最佳深度,故地面浅井微地震监测观测台站埋置深度选择100米。
图6示出了根据本发明的一个实施例的地面浅井微地震监测最优化平面观测系统的示意图。
图7示出了根据图6观测系统的模拟地面浅井微地震监测记录的示意图。
图8示出了根据图6观测系统的计算微地震事件的震源位置的示意图。
根据椭圆置信体准则,观测台站的最佳观测方式选取的方式,通过前期方法验证选取36个检波器为最佳观测台站个数,最终确定地面浅井微地震观测台站的最佳平面分布方式,如图6所示。
通过如图6的观测系统,选取广义反投射系数法,正演108个震源记录(带裂缝参数:方位,倾角,滑动角),如图7所示。对其地面浅井微地震处理和定位,定位方法选取纵横波联合定位方法,最终求得其定位结果,如图8所示,和已知震源对比,精度控制在10米的范围内。
综上所述,本发明能减低采集成本,减少地震记录数据量,加快计算效率,在多井长期监测和开发区阶段具有一定的优势。
本领域技术人员应理解,上面对本发明的实施例的描述的目的仅为了示例性地说明本发明的实施例的有益效果,并不意在将本发明的实施例限制于所给出的任何示例。
根据本发明的实施例,提供了一种地面浅井微地震监测观测台站位置确定系统,可以包括:存储器,存储有计算机可执行指令;处理器,处理器运行存储器中的计算机可执行指令,执行以下步骤:获取压裂区块的工区数据,分析设置监测观测台的影响因素;根据压裂区块的地质资料与地表勘探资料,建立三维地质模型;根据三维地质模型,进行浅地表面波的正演模拟,得到压裂区块中的面波随深度衰减的曲线,进而确定监测观测台站的埋置深度;分析压裂区块的分布与目的层深度,对各区块进行水力压裂微地震震源分布模拟,获得储层压裂裂缝波及横向分布范围,确定监测观测台站的最大横向布设范围;根据影响因素,利用协方差矩阵、置信椭球体确定监测观测台站的布设方式,进而确定监测观测台站的数量;根据监测观测台站的埋置深度、最大横向布设范围、布设方式与数量确定监测观测台站的布设坐标。
在一个示例中,水力压裂微地震震源分布模拟包括:基于水力压裂裂缝的形态,确定震源分布模拟参数;在震源分布范围内,分别在长短轴长度范围内均匀采样,计算每个采样点的概率密度函数,进而获取正态分布随机数;根据所述正态分布随机数、裂缝的方位角与倾角,计算微地震震源的坐标。
在一个示例中,每个采样点的概率密度函数为:
其中,x为采样点,f(x)为采样点的概率密度函数,μ为数学期望,σ为均方差。
在一个示例中,微地震震源的坐标为:
其中,(x0,y0,z0)为采样点坐标;shortx、shorty、shortz为震源的坐标,δ为裂缝的倾角、φ为裂缝的方位角。
在一个示例中,确定监测观测台的布设方式包括:对给定的震源点区域,划定接收点区域,并对接收点区域进行网格剖分;根据置信椭球体确定微地震震源的定位误差,基于微地震震源的概率密度函数,建立目标函数,进而确定监测观测台的布设方式。
在一个示例中,目标函数为:
本发明能减低采集成本,减少地震记录数据量,加快计算效率,在多井长期监测和开发区阶段具有一定的优势。
本领域技术人员应理解,上面对本发明的实施例的描述的目的仅为了示例性地说明本发明的实施例的有益效果,并不意在将本发明的实施例限制于所给出的任何示例。
以上已经描述了本发明的各实施例,上述说明是示例性的,并非穷尽性的,并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下,对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。
Claims (10)
1.一种地面浅井微地震监测观测台站位置确定方法,包括:
获取压裂区块的工区数据,分析设置监测观测台的影响因素;
根据所述压裂区块的地质资料与地表勘探资料,结合野外地表勘探资料建立三维地质模型;
根据所述三维地质模型,进行浅地表面波的正演模拟,得到所述压裂区块中的面波随深度衰减的曲线,进而确定所述监测观测台的埋置深度;
分析所述压裂区块的分布与目的层深度,对各区块进行水力压裂微地震震源分布模拟,获得储层压裂裂缝波及横向分布范围,确定所述监测观测台的最大横向布设范围;
根据所述影响因素,利用协方差矩阵、置信椭球体确定所述监测观测台的布设方式,进而确定所述监测观测台站的数量;
根据所述监测观测台的埋置深度、最大横向布设范围、布设方式与数量确定所述监测观测台的布设坐标。
2.根据权利要求1所述的地面浅井微地震监测观测台站位置确定方法,其中,所述水力压裂微地震震源分布模拟包括:
基于水力压裂裂缝的形态,确定震源分布模拟参数;
在震源分布范围内,分别在长短轴长度范围内均匀采样,计算每个采样点的概率密度函数,进而获取正态分布随机数;
根据所述正态分布随机数、裂缝的方位角与倾角,计算微地震震源的坐标。
5.根据权利要求1所述的地面浅井微地震监测观测台站位置确定方法,其中,确定所述监测观测台的布设方式包括:
对给定的震源点区域,划定接收点区域,并对所述接收点区域进行网格剖分;
根据置信椭球体确定微地震震源的定位误差,基于微地震震源的概率密度函数,建立目标函数,进而确定所述监测观测台的布设方式。
7.一种地面浅井微地震监测观测台站位置确定系统,其特征在于,该系统包括:
存储器,存储有计算机可执行指令;
处理器,所述处理器运行所述存储器中的计算机可执行指令,执行以下步骤:
获取压裂区块的工区数据,分析设置监测观测台的影响因素;
根据所述压裂区块的地质资料与地表勘探资料,结合野外地表勘探资料建立三维地质模型;
根据所述三维地质模型,进行浅地表面波的正演模拟,得到所述压裂区块中的面波随深度衰减的曲线,进而确定所述监测观测台站的埋置深度;
分析所述压裂区块的分布与目的层深度,对各区块进行水力压裂微地震震源分布模拟,获得储层压裂裂缝波及横向分布范围,确定所述监测观测台站的最大横向布设范围;
根据所述影响因素,利用协方差矩阵、置信椭球体确定所述监测观测台站的布设方式,进而确定所述监测观测台站的数量;
根据所述监测观测台站的埋置深度、最大横向布设范围、布设方式与数量确定所述监测观测台站的布设坐标。
8.根据权利要求7所述的地面浅井微地震监测观测台站位置确定系统,其中,所述水力压裂微地震震源分布模拟包括:
基于水力压裂裂缝的形态,确定震源分布模拟参数;
在震源分布范围内,分别在长短轴长度范围内均匀采样,计算每个采样点的概率密度函数,进而获取正态分布随机数;
根据所述正态分布随机数、裂缝的方位角与倾角,计算微地震震源的坐标。
10.根据权利要求7所述的地面浅井微地震监测观测台站位置确定系统,其中,确定所述监测观测台的布设方式包括:
对给定的震源点区域,划定接收点区域,并对所述接收点区域进行网格剖分;
根据置信椭球体确定微地震震源的定位误差,基于微地震震源的概率密度函数,建立目标函数,进而确定所述监测观测台的布设方式。
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