基于雙差微地震震源定位法及應(yīng)用研究

王瑜(中國(guó)石油化工股份有限公司石油物探技術(shù)研究院，江蘇 南京 210014)

0 引言

微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)是油氣田開發(fā)中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，通過觀測(cè)、分析水力壓裂生產(chǎn)活動(dòng)中所產(chǎn)生的微小地震事件來監(jiān)測(cè)生產(chǎn)活動(dòng)的影響、效果及地下狀態(tài)的地球物理技術(shù)。與地震勘探相反，微地震監(jiān)測(cè)中震源的位置、發(fā)震時(shí)刻和震源強(qiáng)度都是未知的。確定這些因素恰恰是微地震監(jiān)測(cè)的首要任務(wù)，實(shí)現(xiàn)震源的準(zhǔn)確定位是微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)的重要目標(biāo)。最初出現(xiàn)的震源定位方法中，主要是基于直達(dá)波初至與地層模型的反演方法，利用拾取的直達(dá)P、S 波初至反演震源位置或發(fā)展時(shí)刻，使得模擬的初至與實(shí)際拾取的初至誤差達(dá)到最小，這種方法是目前應(yīng)用最為廣泛的一種方法，但是地面微地震監(jiān)測(cè)的方法S 波的能量弱，大多數(shù)的微地震信號(hào)只能看到P 波，用P、S 波反演定位的方法適用井中微地震監(jiān)測(cè)。由于地面微地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)受噪音的影響，在進(jìn)行初至拾取的時(shí)候會(huì)受到很大的影響，利用能量的聚焦的方法針對(duì)地面微地震監(jiān)測(cè)方法對(duì)微弱微地震時(shí)間進(jìn)行疊加，根據(jù)疊加能量的最大值確定震源位置。其優(yōu)勢(shì)為不需要拾取微地震事件的初至走時(shí)，計(jì)算速度快，可以滿足快速定位，精度較低，定位結(jié)果具有網(wǎng)格效應(yīng)。由于微地震信號(hào)與天然地震信號(hào)具有類似的震源機(jī)制和信號(hào)特征，因此可以借鑒天然地震學(xué)中震源定位方法進(jìn)行微地震震源定位研究。

2000 年F.Waldhauser 和W.E. sworth 提出雙差定位方法，是一種相對(duì)定位方法，現(xiàn)階段在天然地震領(lǐng)域中得到了極為廣泛的應(yīng)用，并能進(jìn)行精確的重定位。這種方法一種相對(duì)定位的線性方法，其運(yùn)算的速度快，效率高，易于局部收斂；有相對(duì)的主事件，相對(duì)的定位精度較高，同時(shí)也不受空間范圍的限制。在起伏地表存在近地表低速層，其速度的變化直接影響震源掃描定位的精度，反而鑒于雙差定位是靠事件對(duì)之間的走時(shí)差去確定其相對(duì)的位置，同時(shí)就抵消了這種由于近地表和地層速度變化引起的誤差，提高了其定位的精度。

本文引入將雙差定位法引入微地震監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，將其方法進(jìn)行改進(jìn)，適用于微地震監(jiān)測(cè)的定位方法中，并實(shí)現(xiàn)微地震震源重定位，提高其定位的精度，實(shí)現(xiàn)高精度的微地震定位。

1 基于雙差微地震定位方法

根據(jù)微地震信號(hào)與天然地震信號(hào)具有類似的震源機(jī)制和信號(hào)特征。分析其微地震資料的特點(diǎn)：事件震源分布集中，事件間的距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其到檢波器的距離的特點(diǎn)。

選取射孔事件作為主事件，拾取微地震事件的觀測(cè)走時(shí)，并通過計(jì)算其射孔和事件的觀測(cè)走時(shí)與理論計(jì)算走時(shí)差的殘差(“雙差”)確定其相對(duì)的距離。其具體實(shí)現(xiàn)的步驟為：

根據(jù)射線理論，計(jì)算射孔及微地震事件微地震事件i 到檢波器k 的走時(shí)：

將其一階泰勒展開：

通過互相關(guān)函數(shù)法或手動(dòng)拾取方法拾取微地震事件到各個(gè)檢波器的觀測(cè)初至到時(shí)。

計(jì)算射孔事件與微地震事件(或兩個(gè)微地震事件)到各檢波器的走時(shí)差：

將各檢波器的所有地震事件對(duì)形成的方程聯(lián)立得到的方程組：

其中，G 為偏導(dǎo)數(shù)矩陣，d 為雙差數(shù)據(jù)向量。

求解(5)式，要求全部的地震的四個(gè)參數(shù)整體變化為零，即為：

要求全部的震源的四個(gè)參數(shù)Δxij、Δyij、Δzij和Δτij整體變化為零。

利用LSQT 法最小二乘求解(5)式，得到兩個(gè)微地震震源的四個(gè)震源參數(shù)的相對(duì)值，即為兩個(gè)震源的相對(duì)位置。

射孔的真實(shí)位置為已知，微地震事件的震源位置為其射孔的真實(shí)位置加上其四個(gè)相對(duì)值：

設(shè)射孔的真實(shí)位置為x，y,z；求解(5)式得到的相對(duì)位置為Δx, Δy, Δz；則微地震事件的震源位置為：

2 實(shí)際資料應(yīng)用

文章以一水平井水力壓裂微地震監(jiān)測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)為列。該壓裂井垂直井深為678 米、方向352°、水平段1260 米，水力壓裂增產(chǎn)7 段壓裂，采用地面微地震監(jiān)測(cè)方式。

選取導(dǎo)爆索的兩個(gè)記錄(如圖1 和圖2)進(jìn)行主事件進(jìn)行定位；拾取能量較強(qiáng)的同向軸信息，進(jìn)行定位；計(jì)算得到的相對(duì)距離和實(shí)際的距離的相對(duì)誤差(如圖3)；和實(shí)際的對(duì)比；計(jì)算其相對(duì)位置的差值為：x:4；y:21；z:1.225；其三個(gè)方向誤差小于21m。

圖1 導(dǎo)爆索1剖面圖

圖2 導(dǎo)爆索2剖面圖

圖3 兩個(gè)導(dǎo)爆索“雙差”計(jì)算誤差

選取第六段壓裂事件進(jìn)行測(cè)試，其結(jié)果均是基于導(dǎo)爆索的誤差基礎(chǔ)上進(jìn)行。在這段壓裂中，拾取中強(qiáng)的有效事件共57 個(gè)。由于本井的深度較淺，所以其事件均為強(qiáng)事件。

前期的處理中通過震源掃描定位其事件的位置(如圖4 與圖5)。使用雙差定位方法對(duì)其所有事件中的前25 個(gè)進(jìn)行定位，如圖6 和圖7 為第六段雙差定位的結(jié)果。

圖4 震源掃描定位結(jié)果(XY方向)

圖5 震源掃描定位結(jié)果(YZ方向)

圖6 雙差定位結(jié)果(XY方向)

圖7 雙差定位結(jié)果(YZ方向)

對(duì)比兩種定位方法的計(jì)算結(jié)果，兩種方法整體的分布趨勢(shì)相同，震源掃描算法受強(qiáng)噪音能量疊加的影響，水平方向分布較散，深度方向網(wǎng)格效應(yīng)較為明顯；而雙差定位方法，平面分布更為收斂，其有效事件的精度明顯有所提高，深度方向也相對(duì)的集中，效果較高，同時(shí)也證明雙差定位方法這種高精度方法的可行性和實(shí)用性，更加真實(shí)的反映壓裂過程裂縫破裂的位置信息。

3 結(jié)語(yǔ)

文章根據(jù)微地震信號(hào)與天然地震信號(hào)具有類似的震源機(jī)制和信號(hào)特征。通過計(jì)算其射孔和事件的觀測(cè)走時(shí)與理論計(jì)算走時(shí)差的殘差(“雙差”)確定其相對(duì)的距離。這種基于雙差法的微地震震源定位技術(shù)，其運(yùn)算的速度快，效率高，易于局部收斂；有相對(duì)的主事件，相對(duì)的定位精度較高，同時(shí)也不受空間范圍的限制；并在實(shí)際應(yīng)用中也得驗(yàn)證，定位結(jié)果和實(shí)際情況基本吻合。

實(shí)際測(cè)試分析雙差定位方法受旅行時(shí)的拾取精度得限制，只能用于強(qiáng)事件重定位中，校正震源掃描定位的事件簇的整體誤差；在等效速度模型的定位效果較好，但層狀速度模型精度較低，后期可進(jìn)行速度模型和定位結(jié)果同時(shí)優(yōu)化，提高整體的定位精度。