CN112068197B - 基于地震波动力学参数的裂缝破裂尺度的描述方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于地震波动力学参数的裂缝破裂尺度的描述方法。所述裂缝破裂尺度的描述方法包括：通过裂缝破裂尺度的模型化生成复合震源时间函数，通过测井和/或三维地震数据得到震源到观测台站的格林函数，根据复合震源时间函数、格林函数和地震矩张量，得到合成微地震波，将合成微地震波与观测台站记录的微地震波基于地震波动力学特征进行拟合，得到反演门槛值，选择反演门槛值在预设的门槛允许范围内的合成微地震波所记录的裂缝破裂尺度作为裂缝破裂尺度。本发明的有益效果可包括：能够解决人工压裂裂缝破裂尺度尚无法定量描述的难题。

Description

基于地震波动力学参数的裂缝破裂尺度的描述方法

技术领域

本发明涉及地震监测技术领域，具体地，涉及一种基于地震波动力学参数的裂缝破裂尺度的描述方法。

背景技术

以页岩气为代表的低渗透非常规油气资源开发，需要利用水力压裂等相关工业技术向地层高压注入大量压裂液以形成裂缝，通过增加岩层的渗透率从而实现页岩气等低渗透油气资源的规模经济开采。

裂缝是流体(油、气、水等)流通的重要通道，裂缝的空间形态和尺度在油气开发过程中扮演着完全不同的角色。

微尺度或小尺度的裂缝成为油气渗流/流通通道，新裂缝系统的体积及连通性对于储层改造体积的大小及渗透率增强的量化至关重要，其不仅影响压裂施工方案、作业方式和压裂效率，更直接影响到后期井网的布设、油气产能的定量评估及开发方案的制定。裂缝的定量化与渗透率、储层改造SRV体积有着强相关关系，然而，理论和实际生产数据表明：人工裂缝的空间展布及其压裂后的定量特征参数仍然很难统计，尚无法做到定量化。

中等尺度的裂缝-小断层活动可能导致井筒变形、使得井下工具作业遇阻，压裂施工成本和难度增加、压裂段数减少，其不仅仅是导致直接经济损失超亿元，更会引发单井产量低、生命周期短等问题从而严重影响页岩气开发整体经济效益。例如，在四川威远-长宁页岩气开采开发中大量的生产数据表明井筒稳定性问题与裂缝-小断层具有紧密关系。微地震监测发现附近存在线性分布趋势的微地震事件，但无法确定裂缝具体大小，少有的微地震事件亦无法表征裂缝是否贯穿井筒而引起井筒变形。但如果能够确定裂缝的尺度，即可现场进行压裂预警和施工方案的调整，从而规避压裂风险并提高压裂效率。此外，该类裂缝可能成为压裂液漏失的理想通道，使人工造缝区域变小而降低压裂作业的效率，增加压裂成本等，定量化这类裂缝尺度有助于压裂施工方及时优化压裂液、砂量等参数的配置，以防止液体通过该类裂缝/小断层而漏失。

更大尺度的裂缝则可能沟通地下隐蔽性断层而触发/诱发小地震，给工业生产和当地人民生活带来巨大影响。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的一个或多个问题。例如，本发明的目的之一在于提供一种基于地震波动力学参数的裂缝破裂尺度的描述方法，能够针对人工作用产生的地震而引起的裂缝或小断层活动。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于地震波动力学参数的裂缝破裂尺度的描述方法。所述裂缝破裂尺度的描述方法可包括以下步骤：

通过式1计算反演门槛值X_a，所述式1可为：

其中，X_a为利用第a个动力学参数计算的反演门槛值，a为进行计算的动力学参数的序号，n表示P波、SV波、SH波中的至少一个，P包括主频、周期、频宽中的至少一个，b_n，a是第n类波形的第a个动力学参数的调整因子，k为观测台站的序号，K_n为参与计算的观测台站的总数，

包括第k个观测台站记录的微地震波的动力学敏感性参数，

包括第k个观测台站的合成地震波的动力学敏感性参数和裂缝尺度；

当所述反演门槛值在预设的门槛允许范围内时，得到所述裂缝尺度。

在本发明的一个示例性实施例中，所述合成微地震波由式2得到，所述式2可为：

其中，

为第k个观测台站的合成微地震波，l和w为裂缝尺度，t为裂缝破裂时间，t₀为裂缝破裂开始时间，M_ij为地震矩张量，i、j为矩张量的3*3矩阵的行和列，X(l，w，t+t₀)为震源时间函数，G_n，k(t)为震源到第k个观测台站的格林函数。

在本发明的一个示例性实施例中，所述震源时间函数由式3得到，所述式3可为：

其中，V_rup为裂缝破裂速度，Δl和Δw为组成裂缝的至少一个子裂缝的尺度，t_m，0为第m个子裂缝的破裂时间，x_m为第m个子裂缝的震源时间函数，m为子裂缝的序号，M为子裂缝的总数。

在本发明的一个示例性实施例中，Δl≥Δw。

在本发明的一个示例性实施例中，可通过测井数据和/或三维地震数据，得到震源到第k个观测台站的格林函数。

在本发明的一个示例性实施例中，所述调整因子0≤b_n，a≤1。

在本发明的一个示例性实施例中，在存在多个合成微地震波计算的反演门槛值均在所述预设的门槛允许范围内时，通过式4计算评比值N，并从所述评比值较小的合成微地震波中获取裂缝尺度，所述式4可为：

且

其中，N为合成微地震波的评比值，X_a为进行计算评比值的合成微地震波的反演门槛值，S_a为第a个动力学参数的门槛值的权系数。

在本发明的一个示例性实施例中，所述裂缝破裂尺度描述方法还可包括步骤：

获取地震的震源定位和震源机制，并结合所述裂缝尺度，进行裂缝破裂时空特征的描述。

与现有技术相比，本发明的有益效果可包括：将极大地提高非常规油气等资源压裂作业的针对性和有效性，规避施工风险、降低压裂损失，达到提高非常规油气等资源的单井产量并延长井的生命周期的目的。

附图说明

通过下面结合附图进行的描述，本发明的上述和其他目的和特点将会变得更加清楚，其中：

图1示出了本发明一个示例性实施例中的基于地震波动力学参数的裂缝破裂尺度描述方法的一个流程示意图。

具体实施方式

在下文中，将结合附图和示例性实施例详细地描述本发明的基于地震波动力学参数的裂缝破裂尺度描述方法。

本发明提供了一种基于地震波动力学参数的裂缝破裂尺度的描述方法。

在本发明一个示例性实施例中，所述裂缝破裂尺度的描述方法可以包括以下步骤：

S1：可以通过式1计算反演门槛值X_a，所述式1为：

其中，X_a为利用第a个动力学参数计算的反演门槛值，a为进行计算的动力学参数的序号，n表示P波(地震纵波)、SV波(垂直偏振横波)、SH波(水平偏振横波)中的至少一个，P包括主频、周期、频宽中的至少一个，b_n，a是第n类波形的第a个动力学参数的调整因子，k为观测台站的序号，K_n为参与计算的观测台站的总数，

包括第k个观测台站记录的微地震波的动力学敏感性参数，

包括第k个观测台站的合成地震波的动力学敏感性参数和裂缝尺度。

具体地，所述合成微地震波包含的裂缝可以为矩形，所述合成微地震波可以由式2得到，所述式2为：

其中，

为第k个观测台站的合成微地震波，l(l可以为裂缝的长度)和w(w可以为裂缝的宽度)为裂缝尺度，t为裂缝破裂时间，t₀为裂缝破裂开始时间，M_ij为地震矩张量，i、j矩张量的3*3矩阵的行和列，在本专利种没有特别指示其他意义，也可以认为M_ij整体表示矩张量，X(l，w，t+t₀)为震源时间函数，G_n，k(t)为震源到第k个观测台站的格林函数。

在本实施例中，可以通过数字信号处理方法(时频分析法、Hilbert变换等)分别提取合成地震波

的动力学敏感性参数

第k个观测台站记录的微地震波的动力学敏感性参数

也可以通过数字信号处理方法(时频分析法、Hilbert变化等)分别从第k个观测台站记录的微地震波

中提取得到。

进一步地，所述震源时间函数X(l，w，t+t₀)可以由式3得到，所述式3为：

其中，V_rup为裂缝破裂速度，Δl(Δl可以为子裂缝的长度)和Δw(Δw可以为子裂缝的宽度)为组成裂缝的至少一个子裂缝的尺度，t_m，0为第m个子裂缝的破裂时间，x_m为第m个子裂缝的震源时间函数，m为子裂缝的序号，M为子裂缝的总数。

在本实施例中，可以通过测井数据和/或三维地震数据，建立精细的纵横波速度模型和Q模型(Q模型表示岩石的品质因子，在地震波传播的模拟过程中，需要用到品质因子Q，故在建立速度模型时，需要设定Q值)，计算得到震源到第k个观测台站的格林函数。

S2：当所述反演门槛值X_a在预设的门槛允许范围内时，得到所述裂缝尺度。

具体地，由于不同台站接收到的微地震波的动力学参数之间存在差异，设定调整因子b_n，a以消除因传播路径差异而引起的微地震波动力学参数(主频、频宽、周期等)对反演的影响。根据资料信噪比、震源-观测台站的路径效应设置调整因子和反演门槛值，优选获得最佳的裂缝破裂尺度。

在本实施例中，b_n，a是第n类波形的第a个动力学参数的调整因子，如果只有P波、SV波和SH波中的某个参数进行反演，则b_n，a＝1。如果只有第a个动力学参数进行反演，则

第a个动力学参数的P波、SV波和SH波之间的调整因子，可以根据实际情况进行调整。例如，对于主频而言，往往可以设置SV和SH波的b_n，a低于P波，因为SV和SH波的主频较P波的低。更多时候，我们可以采用单个动力学参数进行反演，如上述。

另外，我们亦可以根据多个动力学参数进行反演，可以增加反演的可靠性。具体如下：对于某个裂缝，获取多个合成微地震波，并利用多个动力学参数进行反演时，可以对每个动力学参数利用上述式1计算其动力学参数的吻合度，设定每个动力学参数的反演门槛值X_a，当特定裂缝模型计算的每个或其中某几个的组合的动力学参数X_a均达到设定的门槛值时，则认为该裂缝模型为反演的可靠裂缝模型。而当有多个裂缝模型均达到评判标准时，则认为

最小值所对应的裂缝尺度为最终反演的裂缝尺度，S_a是第a个动力学参数的门槛值的权系数，且

在本发明的另一个示例性实施例中，本方法可以针对于人工作用而产生的裂缝或小断层活动，如图1所示，所述裂缝破裂尺度的描述方法可以包括以下步骤：

步骤一：由于人工作用而产生的裂缝尺度较小、裂缝面各向同性特征相对稳定，故将裂缝沿着裂缝面简化为矩形模型，再将所述矩形模型划分出至少一个一定尺度Δl×Δw的子矩形面(Δl≥Δw，即Δl可以为子裂缝的长度、Δw可以为子裂缝的宽度)。根据破裂速度和各个子矩形面之间的空间连接关系，确定每个子矩形面的破裂开始时间t_m，0并建立单个子矩形面的震源时间函数x_m(Δl，Δw，V_rup，t+t_m，0)。最后将子矩形面的震源时间函数根据各个子矩形面破裂的时空关系叠加形成复合的震源时间函数X(l，w，t+t₀)，其中，震源时间函数X(l，w，t+t₀)可以由下式得到：

其中，l为矩形模型的长，w为矩形模型的宽，t₀为裂缝破裂开始时间，t为裂缝破裂时间，V_rup是裂缝破裂速度，t_m，0表示第m个子矩形面的破裂开始时间，x_m是第m个子矩形面对应的震源时间函数，Δl是子矩形面的长，Δw是子矩形面的宽，m为子裂缝的序号，M为子矩形面的裂缝的总数。

步骤二：利用作业区的测井或三维地震资料，建立精细的纵横波速度模型和Q模型，计算震源位置到台站的格林函数。通过建立不同的裂缝破裂尺度模型从而生成不同的震源时间函数X(l，w，t+t₀)，并与格林函数G_n，k(t)、地震矩张量M_ij的褶积合成第k个观测台站的微地震波

包括三分量的P波、SV波和SH波。

其中，

为第k个观测台站的合成微地震波，l(l可以为裂缝的长度)和w(w可以为裂缝的宽度)为裂缝尺度，t为裂缝破裂时间，t₀为裂缝破裂开始时间，M_ij为地震矩张量，i、j矩张量的3*3矩阵的行和列，在本专利种没有特别指示其他意义，也可以认为M_ij整体表示矩张量，X(l，w，t+t₀)为震源时间函数，G_n，k(t)为震源到第k个观测台站的格林函数，n分别表示P波、SV波、SH波中的至少一个。

步骤三：用数字信号处理方法(时频分析法、Hilbert变换等)分别提取合成地震波记录的动力学敏感性参数(分别对应为主频、周期、频宽等参数)该敏感性参数包含了相对可靠的裂缝破裂尺度(裂缝的长、宽)信息；

利用数字信号处理方法(时频分析法、Hilbert变换等)分别提取观测记录

的动力学敏感性参数

(P分别对应为主频、周期、频宽等参数)，通过观测记录的微地震波动力学参数

与合成微地震波动力学参数

的拟合(可以通过下式进行拟合，得到反演门槛值X_a)，从而获得相对可靠的裂缝破裂尺度(裂缝的长、宽)。

其中，X_a为利用第a个动力学参数计算的反演门槛值，a为进行计算的动力学参数的序号，P包括主频、周期、频宽中的至少一个，b_n，a是第n类波形的第a个动力学参数的调整因子，k为观测台站的序号，K_n为参与计算的观测台站的总数，

包括第k个观测台站记录的微地震波的动力学敏感性参数，

包括第k个观测台站的合成地震波的动力学敏感性参数和裂缝尺度。

由于不同台站接收到的微地震波的动力学参数之间存在差异，设定调整因子b_n，k以消除因传播路径差异而引起的微地震波动力学参数(主频、频宽、周期等)对反演的影响。根据资料信噪比、震源-观测台站的路径效应设置调整因子b_n，k和预设的门槛值允许范围，当反演门槛值在预设的门槛允许范围内时，优选获得裂缝破裂尺度。

步骤四：通过跨尺度地震震源定位(发震时间、发震位置：X，Y，Z坐标或东坐标、北坐标或高程)，结合震源机制(震源的ISO分量、CLVD分量和DC分量，及DC分量对应的裂缝方位角Strike，倾角Dip和滑动角Rake)，加上本方法反演的裂缝破裂尺度(裂隙/裂缝/断层的长、宽或面积)，从而实现裂缝破裂尺度的空间定量精细刻画。

在本实施例中，在步骤三中对微地震波动力学参数

与合成微地震波动力学参数

的拟合后，未通过拟合的合成微地震波可以重新执行步骤一，直到通过步骤三的拟合。

综上所述，本发明的基于地震波动力学参数的裂缝破裂尺度的描述方法的优点可包括：

(1)本方法将极大地提高非常规油气资源(非常规油气资源具体指的是致密油气、页岩气、煤层气等油气资源)以及地热能等非油气资源压裂作业的针对性和有效性，规避施工风险、降低压裂损失，达到提高非常规油气等资源的单井产量并延长井的生命周期的目的；

(2)本方法适用于二氧化碳地质封存、矿山开采、废水回注、储气库注采、隧道工程等工业技术及工程作业引起的裂缝/断层活动或岩爆等定量监测而达到风险评估的目的；

(3)本方法通过裂缝时空特征的定量描述，有利于定量地分析裂缝-断层的时空演化机理，避免人工注采应力范围涉及潜在的隐蔽断层而触发断层活动导致小地震的发生；

(4)本方法基于地震波动力学参数开展裂缝破裂尺度的定量描述技术研究，可应用于水力压裂、深部地热开采、矿山开采、二氧化碳地质封存、储气库注采、废水回注等因人工注采而引起的地下裂缝活动响应，定量标定人工深部注采而引起的裂缝活动时空特征、研究裂缝活动机理、预警工程作业风险，并为可能的裂缝-断层活化过程研究提供裂缝模型和方法，具有广泛的工业技术应用和科学研究前景。

尽管上面已经通过结合示例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应该清楚，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可对本发明的示例性实施例进行各种修改和改变。

Claims (6)

1.一种基于地震波动力学参数的裂缝破裂尺度的描述方法，其特征在于，所述裂缝破裂尺度的描述方法包括以下步骤：

通过式1计算反演门槛值X_a，所述式1为：

其中，X_a为利用第a个动力学参数计算的反演门槛值，a为进行计算的动力学参数的序号，n表示P波、SV波、SH波中的至少一个，P包括主频、周期、频宽中的至少一个，b_n，a是第n类波形的第a个动力学参数的调整因子，k为观测台站的序号，K_n为参与计算的观测台站的总数，

包括第k个观测台站记录的微地震波的动力学敏感性参数，

包括第k个观测台站的合成地震波的动力学敏感性参数和裂缝尺度；

当所述反演门槛值在预设的门槛允许范围内时，得到所述裂缝尺度；

所述合成微地震波由式2得到，所述式2为：

其中，

为第k个观测台站的合成微地震波，l和w为裂缝尺度，t为裂缝破裂时间，t₀为裂缝破裂开始时间，M_ij为地震矩张量，i、j为矩张量的3*3矩阵的行和列，X(l，w，t+t₀)为震源时间函数，G_n，k(t)为震源到第k个观测台站的格林函数；

所述震源时间函数由式3得到，所述式3为：

其中，V_rup为裂缝破裂速度，Δl和Δw为组成裂缝的至少一个子裂缝的尺度，t_m，0为第m个子裂缝的破裂时间，x_m为第m个子裂缝的震源时间函数，m为子裂缝的序号，M为子裂缝的总数。

2.根据权利要求1所述的裂缝破裂尺度的描述方法，其特征在于，Δl≥Δw。

3.根据权利要求1所述的裂缝破裂尺度的描述方法，其特征在于，通过测井数据和/或三维地震数据，得到震源到第k个观测台站的格林函数。

4.根据权利要求1所述的裂缝破裂尺度的描述方法，其特征在于，所述调整因子0≤b_n，a≤1。

5.根据权利要求1所述的裂缝破裂尺度的描述方法，其特征在于，在存在多个合成微地震波计算的反演门槛值均在所述预设的门槛允许范围内时，通过式4计算评比值N，并从所述评比值较小的合成微地震波中获取裂缝尺度，所述式4为：

且

其中，N为合成微地震波的评比值，X_a为进行计算评比值的合成微地震波的反演门槛值，S_a为第a个动力学参数的门槛值的权系数。

6.根据权利要求1所述的裂缝破裂尺度的描述方法，其特征在于，所述裂缝破裂尺度描述方法还包括步骤：

获取地震的震源定位和震源机制，并结合所述裂缝尺度，进行裂缝破裂时空特征的描述。

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