CN112444871A - 基于散射波地震响应特征的裂缝间距定量分析方法和设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于散射波地震响应特征的裂缝间距定量分析方法，以及计算机存储介质和计算机设备。该方法本发明藉由采集到的裂缝地震响应的散射波场记录提取裂缝散射波场，并且通过局部波场分解技术从裂缝散射波场中得到后向散射波场，再将后向散射波场变换到频率‑波数域中进行分析，找到其中最大能量值所对应的波数值，由波数值估算出裂缝间距。该方法效果稳定，能很好地确定裂缝间距及范围，为储量评价提供参考，同时对开发生产和增产方案具有重要意义。
Description
技术领域
本发明属于地震勘探领域，尤其是一种基于散射波地震响应特征的裂缝间距定量分析方法，以及计算机存储介质和计算机设备。
背景技术
在油气储层压裂过程中，岩层遭到破坏并形成裂缝。裂缝会影响固体力学性质以及影响地震波的传播，是控制储层流体流动和油气生产的主要因素之一。因此，了解它们的分布、方向和物理性质对开发生产和增产方案具有重要意义。
现有的一些研究利用有效介质理论(如Schoenberg and Sayers,1995)解释了裂缝诱导的各向异性，该理论认为断裂或裂缝的尺度远小于地震波长，在介质中是孤立的，且分布稀疏。这种破裂介质对三维地震数据具有特殊的特征，即AVOaz振幅随方位偏移量的变化。同时分析了PP和PS的AVOaz反射能量，获得了关于裂缝方向、密度等性质的信息。其中，PS转换能量可以通过分析横波的分裂作用，作为裂缝性储层表征的工具。
然而，野外数据的地震各向异性量级并不总是能用有效介质理论很好地解释。在某些地质条件下，小裂缝会聚集成大型裂缝走廊或断裂带，从而导致与单个小裂缝不同的地震特征。在这种情况下，需要考虑离散裂缝模型，以便更好地解释现场数据的观测结果。散射是对含有大离散裂缝介质的地震响应特征。在常规地震采集处理过程中，散射波通常会被认为是一种干扰波，当作噪音而被去除掉，没有充分利用散射波信息。
本发明克服上述技术偏见，以新的视角提出一种利用散射P-S能量来定量估算地下裂缝结构大小的思想，为之后油气储量的评估提供科学依据。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种基于散射波地震响应特征的裂缝间距定量分析方法，以及计算机存储介质和计算机设备。
根据本发明的第一个方面，本发明的一种基于散射波地震响应特征的裂缝间距定量分析方法，包括以下步骤：
S100，对目标储层的地震响应进行分析，以获取目标储层的包含裂缝地震响应的散射波场记录；
S200，从所述散射波场记录中提取含有裂缝信息的裂缝散射波场；
S300，从所述裂缝散射波场中分解出后向散射波场；
S400，将所述后向散射波场变换到频率－波数域中，并确定所述后向散射波场的频率－波数域谱中最大后向散射能量值所对应的波数值；
S500，根据所述波数值估算所述目标储层中裂缝的间距。
根据本发明的实施例，上述步骤S200包括以下步骤：
比较所述散射波场记录中垂直裂缝方向和平行裂缝方向的波场散射特征；
若垂直裂缝方向/平行裂缝方向的波场散射特征较强，则提取所述散射波场记录中垂直裂缝方向/平行裂缝方向的波场分量，作为含有裂缝信息的裂缝散射波场。
根据本发明的实施例，上述步骤S300中，利用局部波场分解法，从所述裂缝散射波场中分解出后向散射波场。
根据本发明的实施例，上述步骤S300中，
基于局部波场分解算子
从所述裂缝散射波场中分解出后向散射波场，其中所述局部波场分解算子
为：
式中，a为半偏移孔径算子，x表示空间位置坐标，h(x)为位于x位置处的空间锥形滤波器，用于把空间锥形区域里面的数据分解出来，
为地震子波的幅度变化，φ(p,x)为积分路径，ω为频率，p为射线参数。
根据本发明的实施例，上述基于局部波场分解算子
利用局部波场分解法从所述裂缝散射波场中分解出后向散射波场，具体包括以下步骤：
基于局部波场分解算子，从所述裂缝散射波场中分解出不同射线参数p值所对应的散射波场记录；
对不同射线参数p值所对应的散射波场记录进行能量归一化分析，基于能量归一化分析结果从所有散射波场记录中找出能量大于预设百分比阈值且射线参数p值为负值的散射波场记录，作为后向散射波场。
根据本发明的实施例，对不同射线参数值所对应的散射波场记录进行能量归一化分析，基于能量归一化分析结果从所有散射波场记录中找出能量大于预设百分比阈值且射线参数值为负值的散射波场记录，作为后向散射波场，具体包括以下步骤：
统计每个p值对应的散射波场记录的能量，全部绘制在横坐标为p值、纵坐标为能量的曲线图中，然后进行能量归一化处理，取所有散射波场记录中能量大于预设百分比阈值且射线参数值为负值的散射波场记录，作为后向散射波场。
根据本发明的实施例，上述百分比阈值优选为80％。
根据本发明的实施例，上述步骤S500中，按照下式根据所述波数值估算所述目标储层中裂缝的间距：
式中，L是裂缝的间距，ka是最大后向散射能量值所对应的波数值。
根据本发明的另一方面，本发明还提供一种计算机存储介质，其中存储有用于实现上述方法的计算机程序。
根据本发明的另一方面，本发明还提供一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述处理器用于执行所述存储器中存储的计算机程序，所述计算机程序用于实现上述方法。
与现有技术相比，本发明提供的基于散射波地震响应特征的裂缝间距定量分析方法等具有如下优点或有益效果：
在现有的常规地震采集处理分析过程中，散射波通常被认为是一种干扰波，因而被当作噪音去除掉，没有充分利用散射波信息。本发明藉由采集到的裂缝地震响应的散射波场记录提取裂缝散射波场，并且通过局部波场分解技术从裂缝散射波场中得到后向散射波场，再将后向散射波场变换到频率-波数域中进行分析，找到其中最大能量值所对应的波数值，由波数值估算出裂缝间距。该方法效果稳定，能很好地确定裂缝间距及范围，为储量评价提供参考，同时对开发生产和增产方案具有重要意义。
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
从下面描述的实施例并参考附图，本发明的其它优点和细节将变得显而易见。以下是示意图并示出：
图1是本发明实施例的裂缝间距定量分析方法的流程图；
图2是本发明实施例的原始地震数据局部分解的示意图；
图3是本发明实施例的三维裂缝储层模型及其观测系统布设示意图；
图4是本发明实施例的波场记录对比：(a)不含裂缝波场记录；(b)垂直裂缝走向波场记录；(c)平行裂缝走向波场记录；
图5是本发明实施例的基于垂直裂缝走向地震记录进行裂缝间距估算的过程示意图；其中(a)为图4(b)对应的垂直裂缝走向的波场记录；(b)为图5中的(a)中矩形框范围的记录；(c)为图5中的(b)所示记录不同倾角p值波场分解后的能量归一化结果；(d)为根据图5中的(c)图结果中的能量明显的对应负p值的重构记录；(e)为图5中的(d)图对应的频率-波数结果。
具体实施方式
实施例一
如图1所示，本发明提出了一种新的基于散射波地震响应特征的裂缝间距定量分析方法，该方法主要通过合理有效地提取裂缝地震响应的后向散射波场，对后向散射波场进行频率-波数域处理，在其频率-波数域图中找到最大能量所对应的波数值，再由波数值定量确定地下介质油藏中裂缝的间距，从而达到统计描述地下裂缝空间范围的目的。具体地，在本实施例中，该方法主要包括以下步骤：
S100，对目标储层的地震响应进行分析，以获取所述目标储层的包含裂缝地震响应的散射波场记录；
S200，从所述散射波场记录中提取含有裂缝信息的裂缝散射波场；
在该步骤中，首先需要比较所述散射波场记录中垂直裂缝方向和平行裂缝方向的波场散射特征：
若垂直裂缝方向比平行裂缝方向的波场散射特征强，则提取所述散射波场记录中垂直裂缝方向的波场分量，作为含有裂缝信息的裂缝散射波场；
若垂直裂缝方向比平行裂缝方向的波场散射特征弱，则提取所述散射波场记录中平行裂缝方向的波场分量，作为含有裂缝信息的裂缝散射波场；
S300，利用局部波场分解法从步骤S200获得的裂缝散射波场中分解出后向散射波场；
在该步骤中，首先基于局部波场分解算子，从步骤S200获得的裂缝散射波场中分解出不同射线参数值所对应的散射波场记录；然后，对不同射线参数值所对应的散射波场记录进行能量归一化分析，从中找出能量大于预设百分比阈值且射线参数值为负值的散射波场记录，作为后向散射波场。
其中，所述能量归一化分析是指利用局部波场分解算子从原始散射波场记录分解出不同p值对应的散射波场，统计每个p值对应散射波场能量，全部绘制在横坐标为p值、纵坐标为能量的曲线图中，并进行归一化处理，如此能量最大值对应的-p值所对应的散射波场即为所需的后向散射波场。
S400，将步骤S200获得的后向散射波场变换到频率－波数域中，并确定所述后向散射波场的频率－波数域谱中最大后向散射能量值所对应的波数值；
S500，根据步骤S300获得的波数值来估算所述目标储层中裂缝的间距。
由于在后向散射能量中观察到的重复模式具有与裂缝间距相关的波数信息，因此本发明提出根据步骤S300获得的波数值来估算所述目标储层中裂缝的间距。
在本实施例中，波数值与裂缝间距之间关系为：
式中，L是估算的裂缝间距，ka和f是最大后向散射能量值所对应的波数值和频率值，va是视速度，λa是视波长。
实施例二
在此实施例中，将通过构建含有裂缝的三维模型，利用高精度有限差分模拟技术，获得模拟地震单炮记录，然后采用如实施例一所述的方法步骤对单炮记录进行处理分析，通过局部波场分解技术得到含有裂缝信息的反向散射波场，然后再对后向散射波场进行频率-波数域分析，由分析结果完成对裂缝间距的定量统计，最后将模拟结果与理论裂缝间距进行对比，以此验证本发明的裂缝间距定量分析方法的有效证和实用性。
具体过程如下。
(1)三维裂缝建模及裂缝散射波场记录模拟
在三维模型中的特定位置，按照裂缝数量、间距、走向及空间三维尺寸形成裂缝空间构造形态，在此基础上按照裂缝储层参数赋值，设置地层纵波速度vp、地层横波速度vs和地层密度row。
在模型构建好的基础上，运用波动方程交错网格有限差分数值模拟技术完成波场模拟，模拟算法在时间和空间都具有二阶精度，得到包含有裂缝地震响应的散射波场记录。
(2)局部波场分解技术(LWD)
首先定义以下一个局部波场分解算子(LWO)：
式中，a为半偏移孔径算子，x表示空间位置坐标，h(x)为位于x位置处的空间锥形滤波器，用于将空间锥形区域里面的数据分解出来，即划定分解数据所在的空间范围，
为地震子波的幅度变化，其在理想情况下尽可能接近由地震数据提取的子波，φ(p,x)为积分路径，定义了局部波场的动力学，ω为频率，p为射线参数。例如，φ(p,x)＝px定义为射线参数p的局部线性拉东算子，其也可以定义为一个抛物线模式px2。
所述局部波场分解技术就是利用局部波场分解算子(LWO)从总波场里面得到不同p值对应的局部波场，进而得到不同p值对应能量曲线，通过能量曲线找到负p值的对应波场。
将LWO定义为方程(1)的傅里叶反变换：
那么(2)式对应的缩放和位移表达式可以写成下式所示：
Ab(t-t0,x-x0,p) (3)
其中，系数A对应在时间和空间中移动的单个LWO的振幅。
方程(3)可以扩展到分布在(x0,t0)数据面上的LWOs的叠加：
f(t0,x0)可以看作是一个2D“整形滤波器”，它将一个LWO对应的2D信号(数据)提取出来。
在此，需要特别强调的是地震数据可以看成由多个LWO对应的数据叠加而成，因此可以将式(4)的褶积和进行推广，得到如下表达式：
式(4)和式(5)说明了地震数据和不同p值对应地震数据间的互换过程(如图2所示)。
(3)在波数-频率域中估算裂缝的间距
在本实施例中，由于通过对比发现由垂直裂缝走向方向测线得到的波场散射现象更加明显，因此为了便于分析下面选择垂直方向波场进行分析。
首先收集与裂缝走向垂直测线上的原始模拟资料，通过原始模拟数据，找到散射波场位置，将其提取出来，然后根据上述(2)中提到的局部波场分解技术，利用局部波场分解算子对提取出来的散射波场进行不同射线参数p对应的波场记录能量归一化分析，找到能量大的对应的p值为负值的局部分解波场记录(对应后向散射波场)，然后在此基础上将得到的局部分解波场变换到f-k域进行分析，找到f-k域中最大能量值的k值，最后利用下式就可以估算裂缝的间距：
式中L是估算的裂缝间距，ka和f是最大后向散射能量值对应的波数值和频率值，va是视速度，λa是视波长。该式核心思想实质是，在后向散射能量中观察到的重复模式具有与裂缝间距相关的波数信息。
实施例三
图2是原始地震数据局部分解的示意图。下面利用本发明的方法完成模拟数据的处理分析，获得裂缝间距的定量统计结果，并将结果与图2进行比对，以证明本发明的方法的有效性和实用性。
如图3所示，首先建立一个含有裂缝的储层三维模型，此模型共三层，断裂层夹在两个均匀的各项同性层之间，顶层纵波速度为2500m/s，横波速度1250m/s，密度2300kg/m3；裂缝层纵波速度3350m/s，横波速度1825m/s，密度2200kg/m3；顶层纵波速度为2500m/s，横波速度1250m/s，密度2300kg/m3；裂缝中纵波速度为1000m/s，横波速度550m/s，密度1000kg/m3，裂缝间距30m，检波点和震源都位于地表。然后，在此基础上进行有限差分波场数值模拟，震源为雷克子波，主频40Hz。
通过对比如图4所示的不含裂缝和含裂缝波场记录特征，以及垂直裂缝测线和平行裂缝测线波场特征，可以发现垂直裂缝走向方向测线得到的波场散射现象更加明显，因此为了便于分析下面选择垂直方向波场进行分析。
如图5(a)-(b)所示，对垂直分量按照设置的矩形框窗口区域把含有裂缝散射波场部分记录提取出来，然后再采用实施例一介绍的局部波场分解技术得到不同射线参数p值对应的记录，根据这些记录将不同p值处的能量归一化分布，(如图5(c)所示)。在这种情况下，散射能量的两个主要部分对应于后向(负倾角值)散射能量和前向(正倾角值)散射能量。如图5(d)所示，选择能量大于80％的对应的负p值重构地震记录，其代表了来自裂缝连贯后向散射能量。如图5(e)所示，将重构的地震记录变换到频率-波数域中进行分析，此时频率-波数域谱中最大能量值所对应的(k，f)值为(-0.01571/m，78Hz)。通过方程(6)估算裂缝的间距为31.8m。该结果与裂缝带的实际间距30m基本吻合。
通过上述模拟比对，充分验证了本发明的有效证和实用性。本发明效果稳定，能很好地确定裂缝间距及范围，为储量评价提供参考，同时对开发生产和增产方案具有重要意义。
实施四
此外，本发明还提供一种计算机存储介质，其中存储有用于实现上述方法的计算机程序。
实施五
此外，本发明还提供一种计算机设备，其包括存储器和处理器，所述处理器用于执行所述存储器中存储的计算机程序，其中所述计算机程序用于实现上述方法。
上述实施例充分说明了本发明的优势，利用SWT对油气储层压裂微地震监测资料进行时频分析和处理，尤其在检测微地震信号和估计微地震到时间上具有很强的可行性和有效性。
应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定处理步骤或材料，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。
说明书中提到的“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“实施例”并不一定均指同一个实施例。
本领域的技术人员应该明白，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。本领域的技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储介质(RAM)、内存、只读存储介质(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。
Claims (10)
1.一种基于散射波地震响应特征的裂缝间距定量分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
S100，对目标储层的地震响应进行分析，以获取目标储层的包含裂缝地震响应的散射波场记录；
S200，从所述散射波场记录中提取含有裂缝信息的裂缝散射波场；
S300，从所述裂缝散射波场中分解出后向散射波场；
S400，将所述后向散射波场变换到频率－波数域中，并确定所述后向散射波场的频率－波数域谱中最大后向散射能量值所对应的波数值；
S500，根据所述波数值估算所述目标储层中裂缝的间距。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S200包括以下步骤：
比较所述散射波场记录中垂直裂缝方向和平行裂缝方向的波场散射特征；
若垂直裂缝方向/平行裂缝方向的波场散射特征较强，则提取所述散射波场记录中垂直裂缝方向/平行裂缝方向的波场分量，作为含有裂缝信息的裂缝散射波场。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤S300中，利用局部波场分解法，从所述裂缝散射波场中分解出后向散射波场。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，利用局部波场分解法，从所述裂缝散射波场中分解出后向散射波场，具体为：
基于局部波场分解算子
从所述裂缝散射波场中分解出后向散射波场，其中所述局部波场分解算子
为：
式中，a为半偏移孔径算子，x表示空间位置坐标，h(x)为位于x位置处的空间锥形滤波器，用于把空间锥形区域里面的数据分解出来，
为地震子波的幅度变化，φ(p,x)为积分路径，ω为频率，p为射线参数。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，基于局部波场分解算子
利用局部波场分解法从所述裂缝散射波场中分解出后向散射波场，具体包括以下步骤：
基于局部波场分解算子，从所述裂缝散射波场中分解出不同射线参数p值所对应的散射波场记录；
对不同射线参数p值所对应的散射波场记录进行能量归一化分析，基于能量归一化分析结果从所有散射波场记录中找出能量大于预设百分比阈值且射线参数p值为负值的散射波场记录，作为后向散射波场。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，对不同射线参数值所对应的散射波场记录进行能量归一化分析，基于能量归一化分析结果从所有散射波场记录中找出能量大于预设百分比阈值且射线参数值为负值的散射波场记录，作为后向散射波场，具体包括以下步骤：
统计每个p值对应的散射波场记录的能量，全部绘制在横坐标为p值、纵坐标为能量的曲线图中，然后进行能量归一化处理，取所有散射波场记录中能量大于预设百分比阈值且射线参数值为负值的散射波场记录，作为后向散射波场。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述百分比阈值为80％。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤S500中，按照下式根据所述波数值估算所述目标储层中裂缝的间距：
式中，L是裂缝的间距，ka是最大后向散射能量值所对应的波数值。
9.一种计算机存储介质，其特征在于，其中存储有用于实现上述权利要求1至8中任意一项所述方法的计算机程序。
10.一种计算机设备，其特征在于，包括存储器和处理器，所述处理器用于执行所述存储器中存储的计算机程序，所述计算机程序用于实现上述权利要求1至8中任意一项所述方法。
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