CN112068198B - 基于地震波全波形特征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全波形特征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全波形特征进行计算相关系数，选择相关系数在预设的系数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：能够解决被动地震监测中裂缝破裂尺度尚无法定量描述的难题。

Description

基于地震波全波形特征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全波形特征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全波形特征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全波形特征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：

可通过式1计算相关系数H，所述式1为：

其中，H为相关系数，k为观测台站的序号，K为参与计算的观测台站的总数，a_n为P波、SV波和SH波各自的互相关权系数，n表示P波、SV波、SH波中的至少一个，t₁为裂缝破裂开始时间，t₂为裂缝破裂结束时间，

为第k个观测台站记录的微地震波的P波、SV波和SH波波形，

为第k个观测台站的合成微地震波，t为裂缝破裂时间，l和w为裂缝尺度，t₀为裂缝破裂开始时间；

当所述相关系数在预设的系数允许范围内时，得到所述裂缝尺度。

在本发明的一个示例性实施例中，所述合成微地震波可由式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，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，所述震源时间函数可由式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，m为子裂缝的序号，M为子裂缝的总数，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。

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，可以0.7≤a_n≤1。

在本发明的一个示例性实施例中，所述互相关权系数可满足：

其中，N为波形的总数n的总数。

在本发明的一个示例性实施例中，所述裂缝破裂尺度的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：通过对裂缝破裂尺度进行定量描述，能够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全波形特征的裂缝破裂尺度的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全波形特征的裂缝破裂尺度的描述方法。

本发明提供了一种基于地震波全波形特征的裂缝破裂尺度的描述方法。

在本发明的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计算相关系数H，所述式1为：

其中，H为相关系数，k为观测台站的序号，K为参与计算的观测台站的总数，a_n为P波、SV波和SH波各自的互相关权系数，n表示P波、SV波、SH波中的至少一个，t₁为裂缝破裂开始时间，t₂为裂缝破裂结束时间，

为第k个观测台站记录的微地震波的P波、SV波和SH波波形，

为第k个观测台站的合成微地震波，t为裂缝破裂时间，l和w为裂缝尺度，t₀为裂缝破裂开始时间。

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，M_ij为地震矩张量，i、j为矩张量的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，可以通过对第k个观测台站记录的微地震波进行偏振分析从而分离出P波、SV波和SH波。

进一步地，所述震源时间函数

可以由式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，m为子裂缝的序号，M为子裂缝的总数，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。

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：当所述相关系数H在预设的系数允许范围内时，得到所述裂缝尺度。

在本实施例中，预设的系数允许范围往往越大越好，最大为1，但对于一些低信噪比资料，该系数大于0.7相对比较可靠(对于系数小于0.7的，其可靠性降低，故这种类型的波往往可以舍去而不参与计算)。

在本实施例中，通常a_n为P波、SV波和SH波各自的互相关权系数，如果P波互相关权系数表示为a_p，SV波互相关权系数表示为a_SV，SH波互相关权系数表示为a_SH，则有

相当于N种波的互相关权系数之和为1，如果只有两种波，则其N＝2。如果只有一种波，则其N＝1。

对于通过上述式1对相关系数H的求取，根据上面设定的每个波的类型的a_n，然后利用

与

的互相关系数同其对应的波类的a_n的乘积，从而获得单个检波器/台站的相关系数H；当多个台站观测时，将单个检波器/台站互相关系数H大于一定值(比如0.7，对于系数小于0.7的，其可靠性降低，故这个检波器往往可以舍去而不参与计算)的台站的相关系数进行相加，最后将这K个台站的相关系数求平均，若相关系数H大于设定的系数允许范围内，则表明其破裂尺度为震源实际的破裂尺度。H是评价设定裂缝尺度是否为真实裂缝尺度的数学数字表达，对于不同的裂缝基本不受影响。因为不同的裂缝类型，其破裂过程和破裂方式在合成地震波的计算式

中已经体现，例如裂缝破裂类型用M_ij表征，裂缝破裂方向和特征等利用X(l，w，t+t₀)已经表征。

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。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，l可以为矩形模型的长，w可以为矩形模型的宽，t₀为裂缝破裂开始时间，t为裂缝破裂时间，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：通过对第第k个观测台站记录的微地震波进行偏振分析从而分理出P波、SV波和SH波，与第k个观测台站的合成微地震波进行全波形互相关，得到相关系数H，当所述相关系数H在预设的系数允许范围内时，得到所述裂缝尺度，

其中，H为相关系数，k为观测台站的序号，K为参与计算的观测台站的总数，a_n为P波、SV波和SH波各自的互相关权系数，n表示P波、SV波、SH波中的至少一个，t₁为裂缝破裂开始时间，t₂为裂缝破裂结束时间，

为第k个观测台站记录的微地震波的P波、SV波和SH波波形，

为第k个观测台站的合成微地震波，t为裂缝破裂时间，l和w为裂缝尺度，t₀为裂缝破裂开始时间。

当所述相关系数在预设的系数允许范围内时，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，在步骤三中对第k个观测台站的合成微地震波与第k个观测台站记录的微地震波进行全波形互相关后，不符合预设的系数允许范围的合成微地震波可以重新执行步骤一，直到通过步骤三的全波形互相关。

综上所述，本发明的基于地震波全波形特征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；

(2)本方法适用于二氧化碳地质封存、矿山开采、废水回注、储气库注采等工业技术及工程作业引起的裂缝活动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)本方法基于地震波全波形特征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 (7)

1.一种基于地震波全波形特征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计算相关系数H，所述式1为：

其中，H为相关系数，k为观测台站的序号，K为参与计算的观测台站的总数，a_n为P波、SV波和SH波各自的互相关权系数，n表示P波、SV波、SH波中的至少一个，t₁为裂缝破裂开始时间，t₂为裂缝破裂结束时间，

为第k个观测台站记录的微地震波的P波、SV波和SH波波形，

为第k个观测台站的合成微地震波，t为裂缝破裂时间，l和w为裂缝尺度，t₀为裂缝破裂开始时间；

当所述相关系数在预设的系数允许范围内时，得到所述裂缝尺度；

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，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，m为子裂缝的序号，M为子裂缝的总数，t_m，0为第m个子裂缝的破裂开始时间，x_m为第m个子裂缝的震源时间函数。

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，0.7≤a_n≤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，所述互相关权系数满足：

其中，N为波形的总数。

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，在存在多个观测台站的合成微地震波的情况下：

舍去通过所述式1计算后不在所述预设的系数允许范围内的合成微地震波，求取所有站台的相关系数的平均值，

在所述平均值在所述预设的系数允许范围内时，得到裂缝尺度；

在所述平均值不在所述预设的系数允许范围内时，重新获取合成微地震波。

7.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，所述裂缝破裂尺度的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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