任朝發(fā),趙海波,陳百軍,馮程斌,張晟瑞

(1.大慶油田有限責任公司勘探開發(fā)研究院,黑龍江大慶163712;2.大慶油田有限責任公司采油工程研究院,黑龍江大慶163453;3.東北石油大學地球科學學院,黑龍江大慶163318)

隨著非常規(guī)和低滲透油氣藏的勘探開發(fā),水力壓裂技術在儲層改造中起著舉足輕重的作用。微地震監(jiān)測技術是評價水力壓裂效果和優(yōu)化儲層壓裂成本的關鍵技術,已成為水力壓裂過程中的標準作業(yè)[1-3]。最近十年來,憑借觀測范圍大、覆蓋次數高、可開展震源機制研究以及不影響油田正常生產活動等優(yōu)勢,地面微地震監(jiān)測得到了越來越廣泛的應用,尤其是在壓裂井附近缺少監(jiān)測井的情況下,地面微地震監(jiān)測往往是更好的選擇[4-9]。

影響地面微地震監(jiān)測定位精度的因素很多,本文重點研究觀測系統的影響,其次對比分析噪聲壓制和速度模型校正的影響。目前,主流的地面微地震監(jiān)測的事件定位算法為震源掃描疊加算法或其變形算法[10-12],其需要高密度地面監(jiān)測臺站保證監(jiān)測的質量。因此,采集時一般采用大范圍部署的地面排列(通常達到千道以上),如放射狀(星型)排列[6]。而國內的地面微地震監(jiān)測主要有3種觀測系統,即星型排列、網格排列和稀疏排列,但未見對這些觀測系統的優(yōu)缺點進行對比分析的文獻[13-15]。在大慶探區(qū)試驗的地面微地震監(jiān)測,3種觀測系統的采集方式都有采用,出于成本和施工效率等因素考慮,接收道數較少(通常為幾十道),噪聲壓制手段單一,速度模型準確度粗糙,影響了定位精度和可靠性[16]。特殊情況下,資料中多數微地震信號可識別時,采用幾十個接收道數的地面監(jiān)測可將微地震事件成像并得到較可靠的定位結果[17]。但是,由于大慶探區(qū)受較厚的第四紀疏松表層影響,地面監(jiān)測資料信噪比低、可識別的微地震信號極少,定位結果精度偏低。雖然壓裂監(jiān)測裂縫走向與主應力方向基本吻合,但壓裂裂縫形態(tài)的解釋可信度較低,因此有必要進行地面微地震監(jiān)測采集觀測系統、噪聲壓制和速度模型校正等方面的論證分析,為水力壓裂地面微地震監(jiān)測提供排列布設方案和資料處理流程指導。

CHAMBERS等[18]開展了利用地面觀測方式探測微弱信號的可探測性研究,在固定檢波器排列方式和個數條件下(800個接收道的八臂星型排列),分析不同信噪比時震源定位能力,表明地面監(jiān)測能成功地對原始數據中信號太弱以致不可見的微震事件進行定位成像。與其研究不同的是,本文依據目前大慶探區(qū)試驗的星型排列、網格排列和稀疏排列3種觀測方式,結合實際施工井的水平井軌跡、射孔位置、地面監(jiān)測噪聲和實際的測井速度等資料,通過正演研究,論證3種觀測方式在不同噪聲水平下對微震事件的定位能力與精度;并對比分析星型觀測系統在不同接收道數、相同接收道數不同接收孔徑(道間距)下的震源定位精度。另外,針對大慶探區(qū)地面微地震監(jiān)測中存在不需要采集校驗信號的觀點以及噪聲壓制手段單一的問題,為了明確校驗炮在速度模型優(yōu)化中的作用,以及噪聲壓制技術在微地震監(jiān)測中的必要性,文中分析了速度模型和噪聲壓制對震源定位精度的影響。

1 正演模型及方法

本次正演研究設計參數包括速度模型、背景噪聲文件、已知震源點深度和坐標等,均來自大慶SZ探區(qū)的一口水平井的實際地面微地震壓裂監(jiān)測項目。此監(jiān)測目的是為了開展水平井大規(guī)模套管多段、多簇體積壓裂的儲層改造效果評價,為確定合理縫間距,優(yōu)化壓裂設計提供依據。此井壓裂水平段測深為2025～2895m,垂直深度為1789.7～1794.2m,分11段23個射孔點。地面監(jiān)測采用六臂星型陣列,66道接收,檢波器地表埋深0.5～1.0m,監(jiān)測半徑最遠為770m。

圖1顯示的是大慶實驗的地面微地震監(jiān)測中的一個清晰可見的微地震事件信號,其中圖1a和圖1b分別為原始微地震信號及其頻譜,圖1c和圖1d分別為帶通濾波后的微地震信號及其頻譜。根據其頻譜分析,有效微地震信號主頻在40Hz左右,故正演時采用40Hz雷克子波。首先根據實際的經過射孔信號校正的三維速度模型建立水平層狀正演模型,用23個射孔點作為震源點。其次在不考慮震源機制的影響下,采用40Hz雷克子波激發(fā)P波,波場采樣率為1ms。利用簡化高斯束射線追蹤方法進行地震波場傳播路徑追蹤,生成寬角激發(fā)、接收條件下的微地震正演記錄[19-21]。在正演微地震數據中加入實際監(jiān)測的地面噪聲生成含有不同比例噪聲的合成記錄。實際監(jiān)測的噪聲數據如圖2所示,其成分主要是低頻噪聲、高頻噪聲和異常振幅等。在整個研究過程中采用帶通濾波、隨機噪聲壓制與異常振幅壓制方法壓制合成記錄中的噪聲[22-23]。噪聲壓制中的關鍵參數主要為:帶通濾波頻帶為20～60Hz;異常振幅壓制中參與計算的道數為6道,門檻值為1.8;隨機噪聲壓制中Hankel矩陣階數為3。對比研究中相同處理環(huán)節(jié)所采用的參數保持一致,在保證不損害有效信號的同時最大限度地提高資料信噪比。最后采用掃描疊加算法進行震源定位[24],分析空間定位精度。掃描疊加定位的思路為:將監(jiān)測的3D壓裂空間區(qū)域進行網格剖分,并假設每一網格節(jié)點對應一個虛擬震源。利用射線追蹤方法,計算出所有虛擬震源到觀測系統的走時,再根據走時對微地震數據進行正常時差校正,然后進行振幅包絡疊加,疊加振幅(能量)最大的網格點便為震源位置。文中網格剖分步長為5m×5m×5m,信噪比門檻值為3.0。

圖1 大慶SZ探區(qū)實際地面監(jiān)測的微地震信號及其頻率成分a 原始微地震信號;b 原始微地震信號頻譜;c 帶通濾波后微地震信號;d 帶通濾波后微地震信號的頻譜

圖2 大慶SZ探區(qū)實際地面監(jiān)測的微地震噪聲信號(a)及其頻率成分(b)

2 地面觀測系統對比分析

2.1 3種觀測系統定位精度對比

圖3展示了設計的3種觀測系統以及對應的正演數據。圖中的平行四邊形是設計的壓裂區(qū)域,字母A,B,C和D是其4個頂點,其短邊與正北方向成45°夾角,代表最大主應力方向,23個已知射孔點(震源點)位于平行四邊行中部的水平井軌跡上。3種觀測系統具有相同的波場接收孔徑,如圖中的綠色線表示的范圍。圖3a為106道星型觀測系統,圖3c為110道網格觀測系統,圖3e為106道稀疏排列觀測系統。本文探討的稀疏排列是指除星型排列、規(guī)則網格排列外的排列方式,研究時采用接收孔徑內的隨機排列為代表。圖3中的正演微地震記錄是由(70.17m,1215.54m,1794.22m)的震源產生,星型排列與網格排列中信號的時距特征清晰,可連續(xù)追蹤性強。當3種觀測系統的合成記錄中噪聲比例為50%時,合成記錄中均有肉眼可識別的微地震事件信號。而當噪聲為70%時,合成記錄在去噪前無肉眼可識別微地震事件信號,在去噪后則可識別,如圖4。在實際地面微地震監(jiān)測中,微地震事件信號的接收時間未知,稀疏排列觀測系統不利于信號的連續(xù)追蹤和監(jiān)測資料處理定位中的質量控制。當噪聲為85%時,去噪前后均無可識別微地震事件信號,以星型觀測系統合成記錄為例(圖5)。研究證明當數據中的微地震事件信號肉眼可見時,3種觀測系統都能準確檢測并定位微地震事件,因此為分析3種觀測系統的定位精度,用含85%噪聲的合成記錄做對比研究。3種觀測系統合成記錄采用相同的處理流程和參數,定位結果和相應的誤差分析如圖6所示,此處的誤差是定位事件點與已知點的空間距離。圖6a是3種觀測系統定位結果與實際射孔點的空間相互位置關系,圖6b是定位結果的誤差分析統計圖。當噪聲水平達到85%時,稀疏排列觀測系統只能定位20個事件點,并且誤差整體都比較大,而星型和網格型觀測系統能實現23個事件點的全部定位,誤差相對較小。網格型觀測系統的定位誤差雖然在部分點小于星型,但在處于井軌跡遠端的定位結果偏離實際射孔點較遠,如圖6b 中事件點(震源點)1,誤差顯著大于星型觀測系統的定位結果。由此可見,星型觀測系統的定位結果略優(yōu)于網格型,前者的平均誤差為25.51m,而后者的平均誤差為28.13m。在實際地面微地監(jiān)測中,井口壓裂設備產生的噪聲是最主要的噪聲,星型觀測系統以井口為中心向外輻射多條測線能最大化檢波器的偏移距,遠離主要的噪聲源和壓制線性噪聲[25]。其次,地面監(jiān)測類似常規(guī)地震,需開展踏勘、清理和布設等工作,綜合上述因素,在實際的地面微地震監(jiān)測中,星型觀測系統更具有適用性和靈活性。

圖3 3種觀測系統示意圖與相應的正演數據a 星型排列;b 星型排列的正演數據;c 網格排列;d 網格排列的正演數據;e 稀疏排列;f 稀疏排列的正演數據

圖4 3種觀測系統70%噪聲數據去噪前、后效果對比a 星型排列去噪前數據;b 星型排列去噪后數據;c 網格排列去噪前數據;d 網格排列去噪后數據;e 稀疏排列去噪前數據;f 稀疏排列去噪后數據

圖5 星型排列觀測系統記錄含85%噪聲數據去噪前(a)、后(b)結果對比

圖6 3種觀測系統定位結果(a)與誤差分析(b)

2.2 星型排列接收道數對比

研究用的模型和流程與上述觀測系統類型對比研究的相同。接收道數分別用了實際監(jiān)測的66道,設計的106道和211道,3種道數的星型觀測系統具有相同的波場接收孔徑。3種接收道數的正演微地震記錄分別與實際噪聲合成測試數據,其中的噪聲比例分別為30%,50%,70%,85%,90%。如圖7所示,當合成記錄中噪聲比例從30%增加到70%時,已知的23個震源點都能被檢測和定位。當噪聲比例繼續(xù)增加時,66道接收的觀測系統對微地震事件的檢測定位能力急劇下降,當噪聲到達90%時,基本失去對微地震事件的檢測定位能力,而106道和211道的觀測系統在此噪聲水平下還能檢測定位部分微地震事件。圖8是當噪聲到達85%時,211道接收和106道接收對微地震事件定位誤差的比較。在這種噪聲水平下,雖然2種類型都能完全檢測和定位23個已知震源點,但是106道的定位誤差明顯比211道的大。106道的平均誤差為25.51m,211道的平均誤差為16.91m。研究表明隨著接收道數的減少和噪聲水平的增大,可檢測定位的微地震事件和定位精度隨之下降,這表明星型觀測系統接收道數越多,其抗噪能力越強。但106道的定位精度誤差仍可接受,可用于壓裂裂縫成像分布的壓裂監(jiān)測。

圖7 3種接收道數對微地震事件的檢測定位能力

圖8 星型排列觀測系統106道接收和211道接收在85%噪聲水平下的定位誤差比較

2.3 星型排列接收孔徑對比

為了對比不同接收孔徑觀測系統對微地震事件的檢測與定位能力,設計如圖9所示的星型觀測系統。110道,道間距為120m,減小接收孔徑后,道間距為70m。2種觀測系統的合成記錄中噪聲比例均為85%,后續(xù)的處理和定位流程同前。兩種情況下均能實現23個已知點定位,其中大孔徑的平均定位誤差為25.51m,小孔徑的平均定位誤差為30.39m(圖10)。所以星型觀測系統在道數一定的情況下,大孔徑對微地震事件的定位能力與精度優(yōu)于小孔徑。

圖9 星型排列觀測系統110道不同接收孔徑觀測系統a 120m道間距星型觀測系統;b 70m道間距星型觀測系統

圖10 星型110道不同接收孔徑定位誤差

2.4 噪聲壓制對微地震定位精度的影響

為了分析地面微地震監(jiān)測時噪聲壓制對微地震事件檢測及定位精度的影響,利用2.1節(jié)中星型106道觀測系統的合成記錄,采用相同的參數與處理流程,對比去噪前、后的定位效果。當合成記錄中噪聲比例為50%時,合成記錄剖面上的微地震事件信號在在去噪前就可識別(圖11a),去噪后可識別的微地震事件信號更清晰(圖11b)。前面觀測系統對比研究中,已證明當微地震事件信號可見時,就能被準確檢測并定位。圖12對比了合成記錄含50%噪聲時去噪前后的微地震事件定位效果與誤差。從圖中可以看出,合成記錄去噪后的定位效果好于去噪前,去噪后定位結果誤差顯著減小,其平均誤差為5.54m,去噪前定位結果的平均誤差為11.07m。當合成記錄中噪聲到達70%時,記錄中無肉眼可識別微地震事件信號,合成記錄不去噪很難定位微地震事件,而去噪后能準確定位微地震事件。所以,在地面微地震監(jiān)測中,噪聲壓制非常關鍵,直接影響到微地震監(jiān)測的效果。

2.5 速度對定位精度的影響

地面微地震監(jiān)測中速度模型對定位精度具有非常大的影響。生產中的校驗炮信號(一般為射孔或導爆索)是速度模型校正的重要先驗信息,因其是在已知位置進行強能量激發(fā)產生并由地面微地震資料采集系統接收到的地震信號[26]。為對比速度模型對微地震事件定位精度的影響,研究時同樣采用星型106道觀測系統含有70%噪聲合成記錄。分別將速度模型的速度增大10%和減小10%,然后再用改變后的速度模型,采用與前面研究相同的流程和參數,對去噪后的合成記錄進行微地震事件定位。如圖13所示,當速度模型的速度增大或減小時,其定位結果與正常速度模型定位結果相差很大。尤其是當速度模型的速度減小10%后,其定位的微地震事件點比實際的射孔點個數多。將定位的微地震事件點逐一返回波形記錄數據上,刪除與正演記錄時間不符合的錯誤定位結果,然后計算定位正確事件點的定位誤差。其結果表明,不管速度模型準確與否,微地震事件定位結果在平面上的誤差相差不大(圖13c,圖13d),然而在縱向上即深度誤差相當大(圖13b)。所以,當速度模型存在一定誤差的時候,定位結果會受到不同程度的影響,不準確的速度模型對定位結果的深度影響很大。因此利用校驗炮信號進行速度模型優(yōu)化處理至關重要。目前在大慶探區(qū)試驗的地面微地震監(jiān)測,有的地面監(jiān)測沒有采集校驗炮信號用于速度模型校正,建議在以后的地面微地震監(jiān)測中必須采集校驗炮信號數據,以用于速度模型校正,提高監(jiān)測結果的可信度。

圖11 星型排列觀測系統106道含50%噪聲合成記錄去噪前(a)、后(b)效果對比

圖12 星型排列觀測系統106道含50%噪聲合成記錄去噪前、后定位效果(a)與誤差(b)對比

圖13 3種速度模型的定位結果與誤差對比a 定位側視效果;b 定位結果的深度誤差;c 定位結果的北方向誤差;d 定位結果的東方向誤差

3 結論及認識

基于實際水平井的壓裂地面微地震資料和正演數據分析,主要結論如下:

1) 星型觀測系統在微地震事件的檢測定位能力和定位誤差方面略優(yōu)于網格型觀測系統,稀疏排列觀測系統效果最差;

2) 地面微地震觀測系統的定位能力受資料信噪比的影響大,在成本允許時應盡量增加接收道數,以有利于后續(xù)震源定位時提高信噪比,增強微地震事件的定位能力;當采用星型觀測系統時,在道數一定的情況下,應該在接收孔徑內采用大道間距排列;

3) 相干掃描類震源定位方法適用于信噪比低,事件初至拾取困難的地面微地震監(jiān)測,合理保護弱信號的噪聲壓制處理技術可提高地面微地震監(jiān)測的震源定位能力和精度;

4) 準確的速度模型是地面微地震監(jiān)測成功的關鍵,有必要采集校驗炮信號數據優(yōu)化速度模型。

在實際地面微地震監(jiān)測工作中,合理的做法是根據監(jiān)測目的和成本,在壓裂施工開始前做好噪聲調查及采集觀測系統研究。分析認為,至少百道以上的星型排列觀測方式可用于大慶探區(qū)地表條件和壓裂的微地震監(jiān)測。