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微地震监测定位精度分析

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地震 监测 定位 精度 分析
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第28卷第2期2013年4月(页码:0800—0807)地球物理学进展N 8,2013尹陈,刘鸿,李亚林,等.微地震监测定位精度分析.地球物理学进展,2013,28(2):0800—0807,0.6038/I Ya—et he of 2013,28(2):0800—0807,0.6038/地震监测定位精度分析尹 陈, 刘 鸿, 李亚林, 巫芙蓉, 何光明, 陈春华(川庆钻探工程有限公司地球物理勘探公司,成都610213)摘要随着非常规致密砂岩气、页岩气藏的开采开发,压裂技术在储层改造中起着举足轻重的作用,而微地震监测技术是评价压裂施工效果的关键且即时的技术之一.根据微地震监测处理高精度地反演微震位置,从而预测压裂裂缝的发展趋势及区域,对压裂施工效果进行跟踪及评判,同时也为后期油气藏的开采和开发提供技术指导.定位精度直接影响地下裂缝的分布特征,错误或精度不高的定位结果,必将导致对裂缝趋势的误判.文章结合理论和数值模拟方法,对初至拾取精度的影响因素进行了分析,讨论初至误差对定位精度的影响.同时结合地层岩石物理特性、射孔资料对速度模型的校正、速度各向异性、地层倾角、多段压裂等因素,分析了这些因素对精细速度模型及定位精度的影响.最后结合定位方法本身所存在的局限,探讨反演方法及方位角对定位精度的影响.通过理论及数值模拟分析表明,初至误差、速度模型精度及定位方法对定位精度有着紧密关系,并将其归类为可控误差及系统误差,通过区别对待可控误差和系统误差,可最终为高精度微地震监测定位技术的研究及应用提供指导.关键词微地震监测,定位精度,初至,速度模型,射孔,震源反演,方位角0.6038/图分类号献标识码of I u—E 10213,of as an in S)it of of to he of S is of S of it is a he of or in of it is a S it is to on it a on a he on be to be in he in a iS in a is in in 012—04—09; 修回日期 2012—05 10. 投稿网址国石油集团公司项目《微地震监测技术研究及应用》,项目编号:2011者简介尹陈,女,1982年生,四川省遂宁市人,工学硕士,工程师,现从事微地震监测技术研究.(方数据2期 尹陈,等:微地震监测定位精度分析 801in it is to a is in in on he is in a on a of it 言 1 微地震信号初至对定位精度的影响微地震监测技术始于地热开发行业.1978年,H.R.近10年,随着非常规油气藏的开采开发、水平井技术的发展,加之大型压裂酸化技术的进步,微地震监测被广泛地运用于石油天然气行业.随着压裂范围增大,微地震监测不仅能对地下原生裂缝、诱生裂缝进行几何特性分析,还能对储层有效改造体积以及未来生产趋势进行估算,为非常规油气藏的有效开发以及井位部署提供技术指导.而人工压裂裂缝的产生和分布极其复杂,错误的定位结果,可能导致对裂缝体几何特性的误判,以及储层此,高精度的微地震定位技术是微地震监测的关键.影响微地震监测定位精度的因素包括观测系统、采样间隔、初至精度、速度模型精度、定位方法等[1],任何一个环节的精度都会直接或间接地影响定位精度.为了提高定位精度,发展了许多初至拾取及微地震事件识别方法[2。4 J,例如能量比法、于偏振分析及小波技术口是无论基于何种方法,对自动拾取及人工交互拾取的初至[6],仍然存在一定的误差,尤其是在低信噪比资料中,为此,’8].高精度的定位结果不仅依赖于一个稳定可靠的定位方法和高精度的初至,速度模型对定位精度的影响较大[9。1 4。,以至于发展了基于各向异性的定位方法[15]以及基于波形特征的定位方法以提高定位精度,同时在一定程度上增大微地震事件的识别率[1 6I.国内外学者非常强调定位精度的重要性及定位的不确定性[1 7|,本文从定性和定量两方面分析初至、速度模型及定位方法定位精度的影响的具体因素,为高精度微地震定位体系的建立提供可能的方法或指导.微地震定位精度与1。,初至的拾取主要利用。3一或自回归算法波初至.由于微地震信号起跳较为复杂,波至延续度较长,对于自动拾取的初至往往存在拾取精度问题[23 24].吴治涛等利用小波技术及偏振分析进行微地震波震相识别及初至拾取一18j,但仍存在拾取精度的问题.实际资料表明,对典型的信噪比高的微地震波,自动拾取的结果与手工拾取的结果基本一致;对无量纲大振幅的微地震波,到时自动拾取结果的可靠性要高于手工拾取,对信噪比低和到时点不清晰的微地震波自动拾取的可靠性相对较低.假设信号的拾取初至与真实初至之间的时差为出,地层的速度为V(x,y,z),则产生的定位误差△M,理论地可简要归纳为刖Ⅵ,一V(z,Y,z)·(1)通过以上分析,拾取精度往往取决于自动初至拾取技术及判断准则,通过可靠的判断准则和人机交互拾取提高拾取精度和定位精度,因此认为该类误差是可控的,故本文将其归类为可控误差.图1展示了给定模型的初至误差对定位精度影响的数值模拟.其中横坐标表示不同的初至拾取误差,纵坐标表示该误差导致的不同方向定位误差.误差和、平误差表示对误差则表示水平误差和图1可见,随着初至误差的增加定位精度总体呈现降低趋势,而对于初至误差为0.0015 本模型中将其考虑为非线性反演算法及局部极值所致.万方数据802 地球物理学进展 Ⅵ删.8卷2速度模型引起的定位误差2.1岩石物理参数对/3)12一^/出,坐,(2)、 P 、 }J 、为密度,据岩石物理参数分析,,/2,P。。,P。r,,10,≠,T).压裂施工前,岩石的层的速度为静态速度.在压裂作业过程中,地层的孑波速度主要与岩石的体积模量K、剪切模量12、围压P。。、孑效压力层密度10有关,用简化的关系式表示为(K,岸,P。。,吖,(口,P。,∽示.而随着流体、支撑剂的注入及地层压力的增加,地层等效密度增加,岩石的等效据公式4-(4/3)12一V 必和卫,虽难以确定p 、 对于速度仅与密度和剪切模量相关,故着压裂施工的继续进行,地层的压力逐渐增大且影响范围扩大.压裂过程中地层的压力关系为P“,一P。。一P。.随着围压P。的增加,岩石骨架发生弹性应变引起地层的孔隙压力增加,随着围压P。进一步增加,孔隙压力趋于稳定,从而使得有效压力P“,持续增加,最终使裂缝发生剪切滑动或开启.在这个过程中,根据岩石物理实验得出的经验公式,涮一等08迹12,地层的速’”V(1. . 一P;”…6叫”度随着有效压力的增加而增加并趋于常值.根据射孔资料校正的速度模型是地层在压裂施工作业前的静态表现.随着压裂施工的进行,地层中逐渐形成裂缝网,使得地层的压力、等效密度、体积模量、剪切模量都发生一定的变化.如图2所示,当新激发的微震(红色星型)穿过压裂液及压力改变区域(图2中射孔附近区域)时,因地层岩石物理属性的改变而导致传播速度的变化.而前期根据射孔资料校正的速度可能已不适应该微震事件的定位而导致定位误差,该误差值用公式2表示.龇,一V,(z,y,z)·f—K(z,Y,2)…t。,(3)△M。,表示利用射孔校正的静态速度而导致的定位误差,V,(z,y,z)为压裂过程中微地震波的实时传播速度,V。(T,y,z)为经过射孔校正后的静态传播速度.而随着压裂施工的进行,地层的体积模量、剪切模量、围压、孔隙压力、有效压力、密度是处于一个动态的变化中,对于一个微地震事件,难以做到用实时的速度模型反演定位,本文将其归为系统误差.2.2速度各向异性的影响致密砂岩气和页岩气往往具有较强的各向异性特征.在实际处理过程中,因将地层考虑为各向同性介质进行定位,导致因速度各向异性而产生定位误差.该误差往往引起某个方向的定位误差或三个X,y,纪一V。(z,y,z)·£一Vp(z,y,z)…t·,(4)K(z,y,z)为地层的各向异性速度模型,V。(z,y,z)是经过射孔校正后的既定传播路线的地震波传播速度.该误差可利用各向异性速度模型而减弱,因此,本文将该误差归为可控误差.2.3地层倾角而引起的速度模型误差对于页岩气或致密砂岩气藏,在压裂井与监测井段范围内地层起伏变化较小.在进行区域速度模型建立中,将其考虑为水平层状速度模型[25]并利用射孔资料校正,即用层状速度模型V(z)近似代替真实速度模型%。(z,y,z).而微震信号传播是基于实际地层速度模型z,y,z)从而产生定位误差.该误差可表示为△z,y,z)·z)…t ·, (5)该类误差可通过地震地质特征,建立相对准确的起伏速度模型而得到较弱,因此,本文将这类误差归为可控误差.2.4多段压裂的微震定位使用同一个射孔校正的速度模型用于微震定位的速度模型都是经过射孔校正的精细速度模型[26。2 7I.该问题分为两类,一类是在多段压裂施工过程中,始终采用一个速度模型进行定位.另一种情况如图3所示,其中红色星型表示因第一段压裂施工后因裂缝开启或闭合产生的微震震源,而该微震的发震时问位于第二阶段的压裂施工时间段内,在处理中采用了第二阶段的速度模型将微震定位于蓝色星位置,最终导致的定位误差.基于以上两种情况,其误差可用如下公式表示△z,y,z)·z,Y,2)·t, (6)万方数据2期 尹陈,等:微地震监测定位精度分析 803图1初至误差对定位精度的影响 of \—\ 、 、/图2微地震波传播路径示意图 of S 2I‰表示多段压裂引起的定位误差,Vi(z,Y,z)表示第yi(z,Y,z)表示第误差可通过资料的精细处理而得到减弱,因此将该类误差归为可控误差.2.5数值分析综上所述,微地震事件的定位与速度模型的精度有着紧密联系,速度模型的精度取决于压裂施工过程中地层岩石物理属性的变化范围、各向异性特征、倾角以及多段压裂作业等因素.图4通过数值模捌麟弋 路纽\路径1I \ 界面l/ {P": \\ \ 界皿2◆件图3多段压裂引起微地震事件的定位误差示意图 S by 坐标表示在特定速度模型下,地层速度误差在一10%至8%的范围内变动.由图可见,定位精度随着速度误差的增大而降低.然而,从一10%至o%的范围内的定位误差总体变化趋势强速度误差在o%至8%的范围,主要原因在于因速度误差引起微地震波走时差的不同,定位精度与走时差的敏感度不一致而出现较大的误差,使得速度误差在正负方向出现不同的变化梯度,但总体而言,定位误差随着速度误差的增加而变大.万方数据804 地球物理学进展8卷图4速度模型误差对定位精度的影响 of of 位算子产生的误差3.1定位方法本身存在的误差在微地震监测定位方法中,主要为基于射线追踪技术的反演理论[28。31|.在基于反演理论的算法中,无论是遗传算法、网络搜索法等,都涉及到一个目标函数及求解最优化矩阵的评判标准[3 2|,其主要决定了定位的精度及速度[33‘3州.在反演算法中,一般是采用粗细网格相结合的解搜索法,虽然也采用了迭代误差的概率密度的统计,找出误差分布期望较大的区域再进行细网格搜索,但是这容易限于局部极小值[35。4 0|.在遗传算法中,往往需要给定一个初始值,若初始值偏差太大,即可能使得计算陷入局部极值,而得不到全局的最优解.总体而言,对于反演定位算法,其定位的精度与网格尺度、迭代次数、初始输入、最优解求解矩阵及评判标准有着紧密的关系,而对于一个微地震监测工区,求解矩阵及评判标准一定的情况下,定位误差可表示为万方数据2期 尹陈,等:微地震监测定位精度分析伽。,一M[M。+∑龇,],其中M,.表示该微震点的真实空间位置,,,表示第”次迭代相对于初始输入M。的空间偏移量,71HI)误差与定位方法的选择有关,可归为可控误差.3.2定位方位角产生的误差对于微地震监测的反演算法,很多时候将地层考虑为水平层状介质.在该模型下。可反演出微震点相对于坐标原点的径向距离后根据方位角误差为△舅,,则可引起水平方向的定位误差表示为△M。。一麟+(8)将式8展开得到式9,△M。一r[。士△舅。)一·X+,.±△吼)一·Y, (9)其中△M。表示因方位角误差而导致的定位误差.鼠。为真实方位角。△鼠;表示求取的方位角相对于真实方位角的误差.该误差因方位角的求取精度引起且总是存在的,本文将此类误差归为系统误差.图5为微地震事件的方位角误差由 10。至引起水平方向定位误差.图中的准确径向距离,’为532米,随着方位角误差从一10。至10。的变化.其X,实际微地震监测中,径向距离可达到近1000米,因此.在微地震事件方位角的计算过程中,方位角误差的控制影响着整个微地震事件的水平空问分布,而保证方位角的准确性对精度的控制至关重要.4 总 结微地震监测定位精度与微地震信号的初至拾取精度、速度模型精度以及定位算法稳定性有着紧密联系,在资料处理中的任何一个环节都可能导致定位精度的下降。且实际定位误差往往为多种属性误差的矢量和.通过总结归纳。文章将定位误差表示为由初至误差导致的定位误差,速度模型误差导致的定位误差以及定位算法导致的定位误差构成,可见关系式10.刖Ⅵ一△M,+,+△M:… (10)其中脚Ⅵ表示初至、速度模型和定位方法导致的累积定位误差,△M,表示因初至引起的误差,刖坦,表示因速度模型引起的误差,△M,表示因定位算法引起的误差.文章从初至误差、速度模型误差以及反演方法三个方面,定性和定量地进行了定位精度的影响因素及敏感性因素分析.在水平方向上,方位角的误差对定位的初至误差和速度模型误差,在水平方向和深度方向亦有较强的影响.微地震监测是一个是伴随着压裂施工的动态过程,这使得定位精度难以控制.因此,精度的控制必须加强处理过程中每一步的质量控制.1)微地震信号经过自动拾取之后,再进行人机交互编辑和调整,这能够调整一部分因奇异值噪音造成的初至拾取误差,在一定的程度上有利于提高定位精度.2)压裂伴随着地层岩石物理特性的改变,在压裂监测前有必要进行岩石物理分析,充分考虑地层压力、流体、支撑剂对地层的速度、密度的影响,建立可能的实时岩石物理模型有助于减小速度对定位精度的影响.3)微地震事件的震源定位是一个系统的过程,从信号的观测系统设计、压裂施工作业、预处理、精细处理以及定位方法的选择都直接影响到定位的精度,从而最终导致裂缝预测不准而对后期油气藏的开采和开发产生不良影响.微地震监测属于与油气藏开采开发相结合的高精度高灵敏度物探分析技术,通过高精度的微震定位有效地预测人工压裂裂缝的走向和分布,才能有效地评估压裂作业对地层渗透率的改造作用,通过储层定合理的油气藏开采措施.致谢论文研究得到了中国石油天然气集团公司科技部,川庆钻探工程有限公司及地球物理勘探公司的大力支持,在此对其表示衷心地感谢.参考文献(一一删誊畔一’宣嘴弓……m~一一州~一~吼一一州一…m~一蝴~~~~~㈣峨一一~№一洳删一.”【).茔_一‰mm㈣mⅢ肌¨“m”~一一一~~一~~~万方数据806 地球物理学进展8卷1][53[6][73[83[9][10][11][12]:1 3j[14]吴治涛,李.,7].地球物理学进展.2010.25(5):1577 1582. 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