微地震監(jiān)測中等效速度定位精度分析及應(yīng)用

刁瑞，胡曉婷，崔慶輝，尚新民，芮擁軍

（中國石化勝利油田分公司物探研究院，山東東營257022）

微地震監(jiān)測中等效速度定位精度分析及應(yīng)用

刁瑞，胡曉婷，崔慶輝，尚新民，芮擁軍

（中國石化勝利油田分公司物探研究院，山東東營257022）

地面陣列式微地震監(jiān)測的數(shù)據(jù)量大幅提升，導(dǎo)致現(xiàn)場處理效率降低。在陣列式微地震監(jiān)測現(xiàn)場處理中，等效速度可以提高現(xiàn)場處理效率，但由于速度模型的誤差會(huì)影響有效事件的定位精度。根據(jù)測井信息、射孔點(diǎn)坐標(biāo)和實(shí)際觀測系統(tǒng)坐標(biāo)，建立了三維水平層狀介質(zhì)模型，利用射線追蹤方法模擬陣列式微地震數(shù)據(jù)，通過定位精度分析驗(yàn)證了等效速度的可行性和實(shí)用性，并將等效速度應(yīng)用到實(shí)際陣列式微地震資料的現(xiàn)場處理中。

水力壓裂；地面陣列式微地震；等效速度；定位精度；現(xiàn)場處理

中國非常規(guī)油氣資源十分豐富，但非常規(guī)油氣勘探開發(fā)還處于初級(jí)階段，特別是針對(duì)監(jiān)測壓裂效果的微地震技術(shù)的需求更加迫切。微地震監(jiān)測技術(shù)主要有以下幾方面的作用：1）微地震監(jiān)測與壓裂作業(yè)同步，實(shí)時(shí)確定微地震事件發(fā)生的位置，監(jiān)測裂縫的產(chǎn)生，動(dòng)態(tài)顯示裂縫的三維空間展布，指導(dǎo)優(yōu)化壓裂方案；2）確定裂縫的高度、長度、傾角及方位，鑒別超出儲(chǔ)層、產(chǎn)層的裂縫過度擴(kuò)展造成的裂縫網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)測壓裂裂縫網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍；3）評(píng)價(jià)壓裂作業(yè)效果，計(jì)算儲(chǔ)層改造體積等[1-4]。

地面陣列式微地震監(jiān)測的檢波器數(shù)量大大增加，在提高微地震資料品質(zhì)的同時(shí)，微地震資料數(shù)據(jù)量大幅增加，使得現(xiàn)場處理效率明顯降低。為了實(shí)現(xiàn)微地震有效事件的實(shí)時(shí)定位，以及利用監(jiān)測結(jié)果優(yōu)化下一步的壓裂方案等，必須提高千道地面陣列式微地震資料的現(xiàn)場處理效率。利用等效速度進(jìn)行定位處理能夠提高現(xiàn)場處理效率，但是等效速度是一個(gè)近似速度模型，在一定程度上會(huì)影響微地震有效事件的定位精度。

針對(duì)等效速度在微地震監(jiān)測現(xiàn)場實(shí)時(shí)處理中的定位精度問題，首先通過測井信息建立三維分層速度模型；其次，通過射線追蹤方法進(jìn)行地震波傳播路徑追蹤，計(jì)算地震波初至?xí)r間，得到正演模擬的微地震記錄；再次，利用等效速度進(jìn)行微地震有效事件的定位，分析定位結(jié)果與真實(shí)震源點(diǎn)位置的誤差。通過正演模擬數(shù)據(jù)驗(yàn)證了等效速度在現(xiàn)場實(shí)時(shí)處理中是可行有效的，并將等效速度應(yīng)用到實(shí)際微地震監(jiān)測數(shù)據(jù)的現(xiàn)場實(shí)時(shí)處理中，取得了較好的應(yīng)用效果。

1 地面陣列式微地震數(shù)據(jù)模擬

射線追蹤方法就是根據(jù)地震波的傳播規(guī)律來確定地震波在地層中的傳播射線路徑[5]。地震波在介質(zhì)中傳播遵循Snell定律，公式如下：

其中：a是入射角，b是出射角，vi是第i層的層速度，vi+1是第i+1層的層速度。試射法射線追蹤方法的思路為：射線以給定的初始出射角從震源點(diǎn)出發(fā)，直至到達(dá)指定的接收點(diǎn)上，若射線終止位置不是接收點(diǎn)位置，則調(diào)整初始出射角重新計(jì)算，直至射線到達(dá)指定的接收點(diǎn)位置。試射法射線追蹤方法適應(yīng)于水平層狀介質(zhì)模型，具有很快的收斂速度，且計(jì)算精度高，能夠滿足水平層狀介質(zhì)模型正演的計(jì)算精度要求。當(dāng)射線路徑已知時(shí)，沿射線路徑對(duì)時(shí)間進(jìn)行積分，即可求取地震波的旅行時(shí)。

圖1（a）是工區(qū)內(nèi)一口井的測井速度信息，圖1（b）是根據(jù)測井信息建立的三維分層速度模型。在確定三維分層速度模型和微地震地面觀測系統(tǒng)后，選用第1、2和3個(gè)射孔點(diǎn)作為震源點(diǎn)，利用射線追蹤方法正演模擬微地震數(shù)據(jù)。圖2為第2個(gè)射孔點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的正演模擬微地震數(shù)據(jù)。

圖1 測井速度信息和分層速度模型Fig.1Logging velocity information and layered velocity model

圖2 正演模擬微地震數(shù)據(jù)Fig.2Micro-seismic data of forward modeling

2 模擬數(shù)據(jù)定位精度分析

2.1 等效速度求取

根據(jù)第2個(gè)射孔點(diǎn)的地面陣列式微地震正演數(shù)據(jù)，以及第2個(gè)射孔點(diǎn)和觀測系統(tǒng)的大地坐標(biāo)，通過疊加能量最大方法，計(jì)算該第2個(gè)射孔點(diǎn)所對(duì)應(yīng)壓裂段的等效速度。疊加能量最大方法的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中：Ej為所有地震道正常時(shí)差校正后的疊加能量；N為地震道總數(shù)，微地震觀測系統(tǒng)地震道總數(shù)為N=1 000；Si(t)為第i道地震數(shù)據(jù)；Δti為第i道地震數(shù)據(jù)需要進(jìn)行校正處理的正常時(shí)差；D1為射孔點(diǎn)到第1個(gè)檢波器的距離；Di為射孔點(diǎn)到第i個(gè)檢波器的距離；vj為等效速度。

利用疊加能量最大方法，等效速度vj在2 000 m/s至4 000 m/s范圍內(nèi)以1 m/s為步長進(jìn)行最優(yōu)等效速度搜索。當(dāng)速度值為3 110 m/s時(shí)，正演模擬微地震數(shù)據(jù)的疊加能量Ej達(dá)到最大值，該速度能夠最優(yōu)的消除傳播距離不同造成的時(shí)差。因此，第2個(gè)射孔點(diǎn)的微地震正演數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的最優(yōu)等效速度值為3 110 m/s。

2.2 等效速度定位精度分析

在求取相對(duì)準(zhǔn)確的等效速度后，假設(shè)第2射孔點(diǎn)位置坐標(biāo)未知，根據(jù)模擬微地震數(shù)據(jù)、地面觀測系統(tǒng)坐標(biāo)和最優(yōu)等效速度，利用3種微地震有效事件定位方法進(jìn)行定位[6-8]，這3種定位方法分別是：1）能量聚焦定位方法；2）初至拾取定位方法；3）疊加能量定位方法。通過對(duì)比定位結(jié)果與射孔點(diǎn)的真實(shí)位置，可以驗(yàn)證等效速度的可行性。

利用最優(yōu)等效速度對(duì)基于分層速度模型的模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行有效事件定位，3種定位方法均取得了較好的定位結(jié)果，如圖3和表1所示，空間距離誤差在10～20 m左右。將定位距離誤差與壓裂段深度進(jìn)行比值，誤差比值在0.5%左右，驗(yàn)證了等效速度在微地震現(xiàn)場實(shí)時(shí)處理中是可行有效的。

圖3 第2個(gè)射孔點(diǎn)不同定位方法的震源點(diǎn)定位結(jié)果Fig.3Seismic focus Positioning results of different positioning methods of the 2ndperforating point

表1 第2個(gè)射孔點(diǎn)不同定位方法的震源點(diǎn)定位結(jié)果對(duì)比Table 1Contrast of focus Positioning results of different positioning methods of the 2nd perforating point

能量聚焦方法的主要思路為：在速度場相對(duì)準(zhǔn)確的情況下，閥值范圍內(nèi)能量聚焦最好的網(wǎng)格點(diǎn)就是微地震有效事件的位置。選用最優(yōu)等效速度3 110 m/s對(duì)微地震有效事件進(jìn)行定位，圖4是模擬微地震有效事件的聚焦能量譜，能量團(tuán)聚焦較好。能量聚焦方法不需要人工拾取初至信息，具有較高的處理效率和較好的穩(wěn)定性，因此現(xiàn)場處理中采用能量聚焦方法進(jìn)行定位處理。

圖4 微地震有效事件的聚焦能量譜Fig.4Focus energy spectrum of effective microseismic events

2.3 等效速度誤差對(duì)定位精度影響程度分析

準(zhǔn)確的等效速度能夠取得較好的定位結(jié)果，但是求取的等效速度往往存在不確定性誤差，分析等效速度誤差對(duì)定位精度的影響程度。分別采用不同的等效速度進(jìn)行微地震有效事件定位，定位結(jié)果如圖5和表2所示。在選取最優(yōu)等效速度為3 110 m/s時(shí)，正演模擬微地震數(shù)據(jù)定位結(jié)果與實(shí)際震源點(diǎn)位置在X方向誤差為10 m，Y方向誤差為5 m，垂直方向誤差為10 m，定位誤差比例為0.4%，定位結(jié)果比較準(zhǔn)確。在等效速度為3 100 m/s和3 150 m/s時(shí)，正演模擬微地震記錄定位結(jié)果與實(shí)際震源點(diǎn)的X方向誤差和Y方向誤差不變，垂直方向誤差由10 m增大為30 m。等效速度誤差為1%左右時(shí)，定位誤差由0.40%增大為0.85%，等效速度對(duì)定位結(jié)果的深度影響相對(duì)較大，特別是深度方向誤差，因此，選定最優(yōu)的等效速度是非常重要的。

圖5 第2個(gè)射孔點(diǎn)不同等效速度的震源點(diǎn)定位結(jié)果Fig.5Seismic focus positioning results of different equivalent rate of the 2ndperforating point

表2 第2個(gè)射孔點(diǎn)不同等效速度的震源點(diǎn)定位結(jié)果對(duì)比Table 2Contrast of seismic focus positioning results of different equivalent rate of the 2nd perforating point

2.4 等效速度在壓裂段范圍內(nèi)的適應(yīng)性分析

壓裂的影響范圍一般在100～200 m，等效速度在整段壓裂段的適應(yīng)性需要進(jìn)一步驗(yàn)證。假設(shè)第1個(gè)射孔點(diǎn)和第3個(gè)射孔點(diǎn)的模擬射孔數(shù)據(jù)為第2段壓裂的有效事件，在此稱為假定事件，這兩個(gè)假定事件距離第2個(gè)射孔點(diǎn)的距離為100 m左右。為驗(yàn)證等效速度在壓裂段范圍內(nèi)的適用性，將第2個(gè)射孔點(diǎn)的最優(yōu)等效速度（3 110 m/s）應(yīng)用到這兩個(gè)假定事件的定位中。

第2段壓裂微地震數(shù)據(jù)的定位結(jié)果如圖6所示，從俯視圖上看，水平方向誤差很小，預(yù)測裂縫走向與真實(shí)裂縫走向情況基本一致，兩個(gè)假定事件的定位誤差控制在2%左右，基本能夠滿足現(xiàn)場實(shí)時(shí)定位需求。通過模擬微地震數(shù)據(jù)驗(yàn)證了等效速度在微地震壓裂段數(shù)據(jù)定位中的可行性。

圖6 第2段壓裂模擬數(shù)據(jù)的定位結(jié)果Fig.6Fracturing analog data positioning results of the 2ndsegment

3 實(shí)際資料應(yīng)用

利用等效速度對(duì)實(shí)際微地震壓裂數(shù)據(jù)進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)時(shí)定位處理，Y-3井和Y-8井共有25段壓裂，其中兩口井的第6段壓裂微地震有效事件定位結(jié)果如圖7（a）所示。第6段壓裂位置位于砂礫巖體的扇體前端，為扇中或扇緣，粒度相對(duì)細(xì)，前期抗壓實(shí)能力強(qiáng)，后期經(jīng)多期溶蝕作用改造，相對(duì)較易壓裂，儲(chǔ)層壓裂改造效果較好。根據(jù)Y井的測井?dāng)?shù)據(jù)，利用像素成像技術(shù)進(jìn)行裂縫預(yù)測，本區(qū)發(fā)育南北方向裂縫，主應(yīng)力方向?yàn)闁|西方向，如圖7（b）所示。從定位結(jié)果的俯視圖上可以看出，現(xiàn)場定位結(jié)果基本符合該區(qū)地應(yīng)力場走向。

4 結(jié)論

1）根據(jù)測井信息建立三維分層速度模型，利用射線追蹤方法模擬地面陣列式微地震數(shù)據(jù)，基于等效速度的定位方法在提高現(xiàn)場實(shí)時(shí)處理效率的同時(shí)保證了相對(duì)較高的定位精度，能夠?qū)崿F(xiàn)壓裂現(xiàn)場微地震有效事件的實(shí)時(shí)定位，有助于優(yōu)化壓裂方案。

2）將最優(yōu)的等效速度應(yīng)用到模擬微地震數(shù)據(jù)中，不同方法的定位結(jié)果與真實(shí)位置的誤差相對(duì)較小，等效速度在現(xiàn)場實(shí)時(shí)處理中是可行有效的。當(dāng)?shù)刃俣却嬖谝欢ㄕ`差的時(shí)候，定位結(jié)果會(huì)受到不同程度的影響，不準(zhǔn)確的等效速度對(duì)定位結(jié)果的深度影響較大，利用射孔數(shù)據(jù)進(jìn)行速度校正是十分重要的。

圖7 第6段壓裂微地震監(jiān)測結(jié)果和像素成像預(yù)測裂縫結(jié)果Fig.7Microseismic fracture monitoring results and pixel imaging predict fracture results of the 6thsegment

3）利用射孔微地震資料確定了最優(yōu)等效速度后，在該段壓裂范圍都采用該最優(yōu)等效速度進(jìn)行微地震有效事件定位，監(jiān)測裂縫走向與模型真實(shí)情況基本一致，能夠滿足現(xiàn)場實(shí)時(shí)處理定位精度的需求。當(dāng)微地震有效事件的震源點(diǎn)距離射孔點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)，定位結(jié)果的深度誤差就相對(duì)較大。在時(shí)間允許的情況下，采用分層速度模型能夠有效提高定位精度，或采用并行算法等能夠進(jìn)一步提高計(jì)算效率。

致謝：感謝勝利油田物探研究院微地震項(xiàng)目組的鼎力幫助，感謝國家863課題《陸上非一致性時(shí)延地震、微地震油藏監(jiān)測方法研究》和中國石化攻關(guān)項(xiàng)目《微地震監(jiān)測技術(shù)及處理系統(tǒng)開發(fā)》的大力支持。

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（編輯：尹淑容）

Precision analysis and application of equivalent velocity in micro-seismic monitor

Diao Rui,Hu Xiaoting,Cui Qinghui,Shang Xinmin and Rui Yongjun
（Geophysical Research Institute of Shengli Oilfield Branch,SINOPEC,Dongying,Shandong 257000,China）

The micro-seismic data of thousands detectors were increased significantly.In order to realize real-time location of mi?cro-seismic events and optimize hydraulic fracturing plan,equivalent velocity was used in field processing.But the error rate of ve?locity model affected the positioning accuracy of the model effective event.Based on the logging information,the perforating point coordinates and the actual coordinates of the observation system,3D flat layer model was built.And array micro seismic data were simulated by ray tracing method.Meanwhile,feasibility and practicality of equivalent velocity were tested and verified by location accuracy for the application in field processing of actual array micro seismic data.

hydraulic fracturing,surface array micro-seismic,equivalent velocity,location accuracy,field processing

P631

A

2014-10-08。

刁瑞（1985—），男，工程師，從事地球物理方法研究和地震資料處理工作。

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863）項(xiàng)目（2011AA060303）和中國石化股份公司科技攻關(guān)項(xiàng)目（P13078）聯(lián)合資助。