微地震监测新技术与新方法

微地震监测新技术与新方法—宋维琪著石油与天然气工程——李彬学号—1201511182走自己的路微地震监测方法（井中监测和地面监测）微地震监测技术作用•1）与压裂作用同步，快速监测压裂裂缝的产生，方便现场使用；•2）实时确定微地震事件发生的位置；•3）确定裂缝的高度、长度、倾角及方位；•4）直接鉴别超出储层、产层的裂缝过度扩展造成的裂缝网络；•5）监测压裂裂缝网络的覆盖范围；•6）实时动态显示裂缝的三维空间展布；•7）计算储层改造体积；•8）评价压裂作业效果；•9）优化压裂方案；微地震监测技术作用•10）识别引起储层分区或过早见水的流动通道和路线的断层（渗漏断层）构造；•11）识别裂缝储层流体流动各向异性井确定井位；•12）提供流体压力前缘移动的实时三维监测；•13）帮助确定新的注采井位；•14）识别潜在的井眼不稳定性的区域；•15）建立油藏预测模型；地震监测关键技术•1）微地震监测采集技术•2）微地震资料去噪技术；•3）微地震事件识别技术；•4）微地震震源定位技术；•5）微地震监测裂缝解释技术；微地震资料去噪技术•1.得到微地震数据资料；多窗谱极化滤波方法•2.进行滤波去噪处理改进的自适应滤波方法此步骤在于凸显高阶矩方法有效信号和噪音信号的能量差异，然后根据其差异特征进行事件的判断识别。并且，有利于识别地震信号的初至信息。微地震事件的自动识别•3.微地震事件的自动识别与微地震波初至拾取一样，都是利用有效微地震波与背景噪声的差异来实现。识别方法能量分析技术是应用最广泛的一种自动识别技术：基于长短时窗能量比法：缺点：在地震信噪比比较低的情况下容易出现误拾、漏时的情况。偏振特性：优点：区别地震信号，比较理想的克服随机噪声的影响，在已知信号偏振特性的情况下对相关噪声也有一定的适用性。缺点：本身没有一定的尺度，无法进行单独信号的有效检测。分形分维：缺点：难以克服低信噪比的影响；拾取过程中必须插值，而且结果强烈依靠插值的准确性；此外，分形分维对时窗长度的选择十分敏感，稍有不慎就会严重影响其后果。自回归理论：缺点：该方法在信噪比低的情况下准确度也会下降，而且在纯噪声段也会出现最小值，从而无法判断数据段中是否存在有效信号。自动拾取方法：能量比—偏振法微地震事件识别技术•4.微地震事件的震相识别意义：如何有效地利用S波对应的初至信息，来准确定位微地震事件的位置。因此，要反演定位微地震事件的位置，首先要在微地震记录上有效识别出微地震事件的震相到底为P波还是S波。利用给定的观测系统，结合实际资料特征，通过定量极值讨论的方法，求取理论P波、S波的时差分布范围，相邻道时差变化规律特征研究，同时通过讨论P波、S波事件偏振特性，可以有效的区别P波、S波事件的震相，为下一步的微地震事件反演奠定了基础。通过这两个重要的方法，可以快速准确的识别所遇到的微地震事件的震相，提高反演精度的同时，也为后续的解释工作提供了更多的参考信息。为微地震事件的反演奠定了基础微地震事件识别技术5.微地震反演模型的建立波动正演的特点是能够在不同的介质条件下，对波场传播过程中的相位、振幅、频率等变化规律进行准确的模拟，真实的反映波的动力学特征。一般情况下，基于波动方程的正演方法能够适应各种复杂模型，本书中采用迭代法射线追踪的方法建立模型。微地震事件识别技术•迭代法射线追踪•通过计算透射波、反射波、折射波时差规律及振幅特征，可以对微地震记录中有效事件的识别、处理、反演进行指导。在给定的速度结构下，通过模拟对应微地震事件的走时特征，识别有效事件，对干扰进行处理，既能为有效事件的自动识别提供依据，又可以保证反演计算的精度，因此，对于精确的微地震定位技术的发展具有非常重要的意义。•迭代法射线追踪的计算速度快，精度高，对复杂模型的适应性强，适于交互计算，能够满足微地震反演计算要求。微地震事件识别技术•6.微地震反演算法•反演是地球物理学的基本问题，对推测未知参数、确定未知构造具有十分重要的意义；在微地震监测过程中，最终裂缝属性的确定也是由微地震事件的反演来完成的，因此，引进一种稳定、快速、准确、结果可靠的反演方法，是微地震监测研究要重点解决的问题之一。主要介绍以下几种算法：•（1.网格搜索法•（2.共轭梯度法•（3.遗传算法•（4.解域约束下网格搜索法与遗传算法的联合反演网格搜索法•网格搜索法是基于枚举算法，也就是在设定的搜索空间内，按照一定的规则（失配函数），去寻找适合这一规则的最优解空间。后来，人们的研究发现，机械的搜索设定的区域使得的计算量增大，实现起来效率较低，因此，提出各种变网格搜索的方法，主要是利用失配函数值的大小进行约束，采用粗细网格相结合的方法，在初始搜索时，采用较大的网格进行搜索，在靠近优解时，逐渐的改变网格的大小，直到满足误差精度为止。•缺点：适用于反演的模型参数比较少的情况，否则当模型参数的数目比较多时，相应要搜索的模型点的数目也会急剧增加；此外，进行分层次的网格搜索可以减少搜索的总数，并使搜索达到较高的精度，但是当初始搜索的网格过于稀疏时，有可能将搜索导向错误的点附近，而且当失配函数出现多个极小值时，上述的错误引导的可能性会大大增加。网格搜索法•优点：网格搜索法思路直观，编程简单。对于微地震实际资料反演，网格搜索法易于实现，可以很快的找到解的分布规律，初步限定搜索区间作为后续处理的条件。共轭梯度法•共轭梯度法与牛顿法、最速下降法一样都是利用目标函数的存在的梯度信息进行迭代求取最优解的方法，收敛速度较快，但是比较容易陷入局部极值点，其解的过程极大的依赖于初始反演参数的设定，因此，构建稳定目标函数，巧妙的设定迭代初至，对于成功实现共轭梯度法反演至关重要。遗传算法优点：不是从单个点，而是从多个个体组成的种群为单位开始搜索，也就是说，最优解的搜索过程是多维的，因此，对偶然出现的奇异值点有着很强的适应性；在搜索最优解的过程中，只需要由目标函数值计算得到适应值即可，不需要定义目标函数及其所对应的梯度等其它辅助信息；交叉、变异等遗传学算法机制使得搜索过程不易陷入局部最有点。缺点：遗传操作过程中，主要算法参数的选择对于反演结果的影响很大，既影响反演的速度又影响反演的精度。也就说在微地震事件的反演过程中，如果任意定义反演的搜索范围，任意定义算子等，那么遗传算法反演的效率与精度都会发生很大的变化。解域约束下网格搜索法与遗传算法联合反演•网格搜索法微地震反演适用于参数较少的情况下，且对初至的扰动适应性较差，但是其快速、结果收敛的特点可以作为一种粗略定位的手段。共轭梯度法搜索过程比较快速、便捷、收敛性较好，但是由于算法的反复迭代特征，对于初始值的选择要求比较高，容易陷入局部极值点。遗传算法在其整个搜索过程中，不涉及导数等其它辅助信息的计算，经过不断的选择、交叉、变异操作，既能使优秀的个体得到最大限度的继承选择，又能通过不断的交叉使个体更加的趋于优秀；同时，变异又能产生新的个体，丰富了解搜索的范围，对于实际微地震反演个体来说，反演结果准确，方法适应性好，但是其对算法中的一些参数的设定的依赖性较强，需要结合实际进行不断实验，才能得到最优的反演结果。因此结合网格搜索法和遗传算法的优势，对于搜索法的反演结果从解的概率分布角度进行分析，得出真解的分布区间。据此，设定遗传算法的参数，对于微地震事件进行反演，大大提高了计算的速度和精度，对于准确的定位微地震事件具有重要的意义。微地震事件识别技术•7.反演遇到的两个问题•（1.实际S波微地震事件反演•处理实际微地震资料时，发现压裂后期记录的微震事件中，多数事件的同相轴都出现了S波同相轴能量相对较强P波同相轴缺失的情况，而且这些事件多集中在靠近监测井的范围内，分析其主要原因：1.水力压裂时，由于特殊的震源机制，出现了只产生S波没有产生P波的情况；2.在水力压裂的后期，由于S波速度相对P波较小，因此，检波器收到P波、S波不是对应出现的P波、S波首波，可能为S波首波和与其对应的P波续至波，这样，S波首波相对于P波续至波，这样，S波首波相对于P波续至波能量会比较强，从而湮没了续至P波的同相轴信息。微地震事件识别技术•7.反演遇到的两个问题•（2.对初至波的敏感性问题•反演方法对初至的敏感性是实际微地震事件反演中困扰我们的主要问题之一。例如，网格搜索法对初至就很敏感，对事件反演的真解影响很大。对待实际微地震资料，主要从以下几个方面来改善反演对初至的敏感性问题。•（1）选择适应性更高的反演算法。例如前面联合反演方法的提出，结合遗传算法稳定的特点，解域评价方法可以对于解的分布做出准确的估计，可以提高实际微震反演对于初至的敏感影响的适应性。微地震事件识别技术•（2）依据采集到的实际资料的特点，根据不同的检波器采集到的信号的强弱，采用不同的加权系数，放大信噪比强的道信号在反演约束表达式中的比重，减小信噪比低的道信号在反演约束中的作用。•（3）构建稳定的单值约束函数，防止伪根的出现。采用相邻两道的初至旅行时差值的最小二乘平方准则作为约束条件，为增加变化的显著性，采用指数函数来构建约束表达式。在解的选择上，首先要求相邻道时差要同时小于某一设定的阈值，否则舍弃掉，然后以时差均值作为迭代反演判断标准，最大限度的避免奇异解，提高反演解的可靠性。•（4）将有效微地震事件波场向监测井方向延拓，增大相应邻道间时差规律的变化趋势。•并且针对速度的变化，提出了速度与位置联合反演的方法。微地震解释方法(震源性质）•在分析微地震震源性质、特征基础上，讨论了微地震属性分析与提取方法、裂缝解释的聚类方法。根据施工资料与地质资料等，分析裂缝分析特点，并对压裂效果进行相关解释评价。•与天然地震类似，微地震震源的性质可以通过对有效事件信号特征分析来研究，比如可以根据微地震事件的振幅与动量来确定裂缝的大小及方向、断面倾向等因素。如果在具有多口监测井的条件下还能够得到裂缝容积和扩张性等性质，对震源机制的分析充分利用纵波和横波特征进行讨论。•单个微地震事件是由水力压裂产生的裂缝破裂产生的，但是在压裂过程中裂缝不会单个产生，而是沿着裂缝发育或者以主裂缝为中心向周边生产出多个子裂缝，甚至会出现一个裂缝发生多个微地震解释方法（震源性质）•微地震事件的情况。在这种情况下，在空间上会出现一个一个的裂缝簇（震源多于两个），在每个裂缝簇中的每个裂缝破裂时所产生的微地震信号在微地震监测记录中波形都会具有一定的相似性。•通常情况下，单条裂缝对储集层的储集空间和渗滤通道并没有实际意义，只有那些局部区域产生破坏，形成的一组裂缝群或裂缝系统才能改善和提高储集层的物性。•一般情况下，在同一地质时代、同一构造环境下，所形成的群体裂缝，其发育强度、群体平均方位、力学性质均有优势趋向，尽管单条裂缝之间可能存在较大差异，但对储集层的储集空间和渗流通道是由裂缝系的平均性质决定的。微地震解释方法（微地震属性分析与提取方法）•常规微地震属性：振幅、速度、时间、AVO、频率时间属性极值技术确定偏振角偏振属性直方图技术计算偏振角矢端曲线求取偏振角微地震震源定位技术•1.跟踪分量方法对于三分量数据，微地震的震源方位信息包含在各个分量当中，将各级检波器上的三分量数据投影到跟踪分量上之后在进行叠加等处理，能够保留三分量数据中的振动方向信息，同时增强了这种定位方法的抗噪能力。2.叠加准则能量叠加准则是一种比较基本的算法。由于在跟踪分量方向上有效信号的能量最强，所以某一网格点在震源位置上或在震源位置附近的情况下叠加能量会达到最大。但是在某一方向上存在比较强的而且具有方向性的噪声情况下，会使得这种定位方法的定位结果出现较大的偏差，同时，能量叠加的精度也相对比较低。