壓裂微震數(shù)據(jù)的快速讀取及可視化

王 鵬,桂志先,謝宋雷,王朝鋒,張建萍

(1.油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點實驗室(長江大學) 長江大學 地球物理與石油資源學院,湖北荊州 434023;2.中原油田地球物理測井公司,河南濮陽 457001)

0 前言

壓裂自從上個世紀七十年代在美國堪薩斯州西部Hugoton氣田首次使用以來,已成為一種常見的提高油氣采收率的油藏工程方法[1]。壓裂作業(yè)會誘生微震,可對微震信號進行采集,處理和解釋,還可對壓裂作業(yè)進行監(jiān)測,并對壓裂效果進行評價。壓裂作業(yè)的時間可長達幾個小時,甚至幾十個小時。由于微震事件能量弱,信號頻率高,易被地層吸收,所以這些特點決定了微震數(shù)據(jù)采集時間較長,采樣頻率高,最終將導致得到的微震數(shù)據(jù)相當龐大。

利用井下多個三分量檢波器接收微震信號,并在信號中拾取出微震事件的初至時間。對微震事件做極化分析,就可以確定微震事件的傳播方向。利用測井和地震資料,可建立速度模型。結(jié)合以上數(shù)據(jù),利用多種反演方法(例如:縱、橫波時差震源定位法)計算出微震震源的空間位置,從而可以畫出裂縫的空間圖像。從裂縫的空間圖像可以直觀地看出裂縫的發(fā)育方向和范圍,再與壓裂后試井結(jié)果相比對,就能對壓裂效果進行評價,進而改進壓裂作業(yè)。

在壓裂作業(yè)的各個階段,微震事件的發(fā)生率有明顯的差異。相對于采集得到的數(shù)據(jù),實際反演需要的數(shù)據(jù)只占很少的一部份。這樣,就需要用快捷的方法來讀取和顯示采集的數(shù)據(jù),并從中找到微震事件。作者在本文中,以VC6.0作為編程工具,并利用LOD和內(nèi)存映射來實現(xiàn)快速讀取和顯示微震數(shù)據(jù)。

1 微震數(shù)據(jù)分析

經(jīng)采集得到的微震數(shù)據(jù)解編后,使用地震勘探中廣泛采用的SEGY數(shù)據(jù)格式來存儲。SEGY數(shù)據(jù)格式由卷頭和道信息二部份組成,其中道信息又分為道頭和道數(shù)據(jù)二部份(見圖1)。

圖1 SEGY文件格式Fig.1 The structure of SEGY

卷頭包括3 200字節(jié)的字符信息和400字節(jié)的二進制信息。400字節(jié)的二進制信息內(nèi)容,將會影響到整個SEGY文件,這些信息對文件的數(shù)據(jù)處理至關(guān)重要,特別是采樣間隔,道長度和編碼格式[2]。240字節(jié)的道頭,包含了單道的基本信息和道間的差異信息,道數(shù)據(jù)包含單道的所有采樣點數(shù)據(jù)信息。對于多數(shù)SEGY數(shù)據(jù)文件,其道數(shù)據(jù)采用I

BM浮點數(shù)格式。但這種浮點數(shù)格式不能直接在微機上使用,需要轉(zhuǎn)換為在微機上通用的IEEE浮點數(shù)格式。

在采集微震數(shù)據(jù)時,常采用三分量檢波器。每一個檢波器分量采集的數(shù)據(jù)對應(yīng)一個地震道,即一個檢波器對應(yīng)三個地震道。因為微震事件能量低頻率高,其采樣間隔比常規(guī)地震勘探更小,通常為0.25 ms。

2 LOD的應(yīng)用

細節(jié)層次(Level of Detail,LOD)技術(shù)根據(jù)觀察點位置的變化而選擇不同的精度模型進行成像。該算法首先由Clark于1976年提出,最初是用來簡化采樣密集的多面體網(wǎng)狀物體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。其基本思想是:在不影響視覺效果的前提下,對場景中每一原始物體建立不同逼近精度的幾何模型,在繪制時,根據(jù)一定的標準,選擇適當?shù)膶哟文Ｐ蛠肀硎疚矬w,從而簡化場景的描述[3]。

LOD模型的實現(xiàn)方式:

(1)靜態(tài)LOD。在預(yù)處理過程中,產(chǎn)生一個物體的幾個離散的不同細節(jié)層級模型,在繪制時根據(jù)特定的標準,選擇合適的細節(jié)層次模型來表示物體。

(2)動態(tài)LOD。在動態(tài)LOD算法中生成一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。在繪制時,可以從這個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中抽取所需要的細節(jié)層次模型,從而得到大量不同的分辨率,并且是可以連續(xù)變化的[4]。

微震波型有體波(P波和S波二種)和導波二類。在三分量檢波器記錄上,每個分量上P波和S波成對出現(xiàn),并且三個分量上的P波和S波的波至時間分別相同[5]。在每個分量上,P波后面緊跟一個S波,S波比P波的波幅更大(見圖2)。在噪音干擾不強的情況下,微震事件在地震記錄中是比較明顯的。同時根據(jù)大量的文獻分析,單個微震的持續(xù)時間從十幾毫秒到三百毫秒不等,這與其能量強弱直接相關(guān),也與檢波器到震源距離有關(guān)。

圖2 微震波形Fig.2 The wavefor m ofmicroseisms

以持續(xù)時間為50 ms的微震事件為例,微震事件對應(yīng)的采樣點個數(shù)為200。這是因為微震事件的S波的振幅比P波振幅大,所以在地震記錄中比較明顯。同時,微震事件對應(yīng)的采樣點多,所以利用LOD技術(shù)來顯示微震數(shù)據(jù)是可行的。依據(jù)靜態(tài)LOD模型,將可分為三個顯示等級:①每隔十個樣點進行顯示。這時能夠顯示能量較強,延續(xù)時間較長的微震事件。這些微震事件由于能量較強,所以能較為準確地提取出其初至時間;②每隔五個樣點進行顯示,能進一步發(fā)現(xiàn)其它能量較弱的微震事件。③顯示所有的樣點。

由于壓裂作業(yè)時間較長,采集到的微震數(shù)據(jù)往往會被依次保存到多個文件中。使用LOD就可減少讀取的數(shù)據(jù)量,加快讀取數(shù)據(jù)的速度,并且快速找到有效的微震事件。

3 內(nèi)存映射

處理大數(shù)據(jù)量SEGY文件時,往往會出現(xiàn)內(nèi)存不足的問題。作者本文中,利用文件內(nèi)存映射的方法來解決這個問題。

內(nèi)存映射是W indows的一種內(nèi)存管理方法,與虛擬內(nèi)存類似[6]。建立文件內(nèi)存映射的過程大致可分為:①利用CreateFile()函數(shù)創(chuàng)建或打開一個文件內(nèi)核對象;②利用CreateFileMapping()函數(shù)創(chuàng)建一個文件映射內(nèi)核對象;③利用MapViewOfFile()函數(shù),將文件映射對象的全部或部分映射到進程的地址空間中;④利用UnmapViewOfFile()函數(shù),撤銷文件數(shù)據(jù)的映射,并調(diào)用CloseHandle()函數(shù)關(guān)閉前面創(chuàng)建的文件映射對象和文件對象。部份代碼如下:

//創(chuàng)建文件內(nèi)存映射內(nèi)核對象

//建立映射

同時,當窗口由于任何原因需要重繪時,總是先用背景色將顯示區(qū)清除,然后才調(diào)用相應(yīng)的繪圖函數(shù),而背景色往往與繪圖內(nèi)容反差很大,在短時間內(nèi),背景色與顯示圖形交替出現(xiàn),形成屏閃現(xiàn)象。為了解決這一問題,應(yīng)采用雙緩沖的方法。具體實現(xiàn)方法是:先在內(nèi)存中將圖像繪制完成,再將繪制好的圖像一次性拷貝到屏幕中。

4 實例分析

實例數(shù)據(jù)來源于油田壓裂監(jiān)測數(shù)據(jù)。監(jiān)測方式采用單井連續(xù)監(jiān)測,井下共有七個三分量檢波器。在壓裂作業(yè)開始前10 min,進行壓裂監(jiān)測,以記錄背景噪音。壓裂監(jiān)測持續(xù)約2 h。利用LOD技術(shù)來顯示微震數(shù)據(jù),在圖像中可以清晰識別出微震事件(見圖3)。

圖3 微震事件的識別Fig.3 The recognition ofmicroseis ms event

圖3是對同一個微震事件,使用三種不同的顯示方式。圖3(a)采用常規(guī)的顯示方式,圖3(b)和圖3(c)采用了LOD技術(shù)來顯示。在圖3(a)中,雖然微震事件在圖像中很清晰,但繪制所需的數(shù)據(jù)較多,繪制的時間比較長。在繪制圖3(b)和圖3(c)時,對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了適當?shù)某槿『秃喕?在繪制圖3(b)時抽取了1/5的數(shù)據(jù)量,而繪制圖3(c)時抽取了1/10的數(shù)據(jù)量。在圖3(b)和圖3(c)中,都能識別出微震事件。

為了準確拾取微震事件的初至時間,可對地震道波形進行局部放大顯示,以方便拾取初至時間(見圖4)。

在圖4中,可以準確地找到微震事件的初至時間(S波的初至時間)。在圖4中標示的初至時間為1 295.00 ms。由于圖4中的S波的能量較強,同時由于程序處理的原因,所以P波的波形在圖4中不明顯。

圖4 拾取初至時間Fig.4 Picking up the first arrival

5 結(jié)論

微震事件的初至拾取是進行壓裂監(jiān)測的基礎(chǔ)之一。同時在接收到的微震信號中,存在眾多的微震事件。這些微震事件的能量大小,持續(xù)時間都存在明顯的差異。這樣就需要對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行快速讀取,識別出其中能量較強的微震事件,并對這些微震事件的初至時間進行準確的拾取。通過以上分析和實例驗證,在微震數(shù)據(jù)的讀取和顯示中,利用LOD技術(shù)和內(nèi)存映射方法,可以加快讀取速度和改進顯示效果。同時,由于微震事件的自身特點也會限制LOD技術(shù)的使用,如微震事件的持續(xù)時間存在明顯差異等。當采集的微震數(shù)據(jù)信噪比不高時,利用LOD技術(shù)的作用就不明顯,這時需要對采集的數(shù)據(jù)進行必要的處理。

[1] L I YINGPING,C H CHENG,TOKSOZ M N.seismic monitoring of the growth of a hydraulic fracture zone at Fenton Hill[J],New Mexico.Geophysics,1998,63(1):120.

[2] MICHAEL W.Norris,Alank.Faichaney(Eds)SEG YrevI data Exchange for mat[Z].Tulsa,Oklahoma Society of Exploration Geophysicists,2002.

[3] 邵艷紅.LOD技術(shù)及其算法[J].軟件導刊,2008,7(10):48.

[4] 曾維,韓占校,朱學芳.LOD算法在3D地表模擬中的應(yīng)用研究[J].系統(tǒng)仿真學報,2009,21(1):292.

[5] 梁兵,朱廣生.油氣田勘探開發(fā)中的微震監(jiān)測方法[M].北京:石油工業(yè)出版社,2004.

[6] 李曉軍.采用內(nèi)存映射文件設(shè)計超大文件數(shù)據(jù)編輯器[J].電腦編程技巧與維護,2008,(9):12.

[7] 雷兵,馬在田.三維地震數(shù)據(jù)體繪制[J].物探化探計算技術(shù),2004,26(3):206.