任朝發(fā),趙海波,陳百軍,馮程斌,張晟瑞

(1.大慶油田有限責(zé)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(zé)任公司采油工程研究院,黑龍江大慶163453;3.東北石油大學(xué)地球科學(xué)學(xué)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(shù)在儲層改造中起著舉足輕重的作用。微地震監(jiān)測技術(shù)是評價水力壓裂效果和優(yōu)化儲層壓裂成本的關(guān)鍵技術(shù),已成為水力壓裂過程中的標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)[1-3]。最近十年來,憑借觀測范圍大、覆蓋次數(shù)高、可開展震源機制研究以及不影響油田正常生產(chǎn)活動等優(yōu)勢,地面微地震監(jiān)測得到了越來越廣泛的應(yīng)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(tǒng)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(zhì)量。因此,采集時一般采用大范圍部署的地面排列(通常達(dá)到千道以上),如放射狀(星型)排列[6]。而國內(nèi)的地面微地震監(jiān)測主要有3種觀測系統(tǒng),即星型排列、網(wǎng)格排列和稀疏排列,但未見對這些觀測系統(tǒng)的優(yōu)缺點進(jìn)行對比分析的文獻(xiàn)[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(tǒng)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(shù)較少(通常為幾十道),噪聲壓制手段單一,速度模型準(zhǔn)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(shù)微地震信號可識別時,采用幾十個接收道數(shù)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(jié)果[17]。但是,由于大慶探區(qū)受較厚的第四紀(jì)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(jié)果精度偏低。雖然壓裂監(jiān)測裂縫走向與主應(yīng)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(jìn)行地面微地震監(jiān)測采集觀測系統(tǒng)、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(shè)方案和資料處理流程指導(dǎo)。

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(shù)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(shù)據(jù)中信號太弱以致不可見的微震事件進(jìn)行定位成像。與其研究不同的是,本文依據(jù)目前大慶探區(qū)試驗的星型排列、網(wǎng)格排列和稀疏排列3種觀測方式,結(jié)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(tǒng)在不同接收道數(shù)、相同接收道數(shù)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(shù)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(shè)計參數(shù)包括速度模型、背景噪聲文件、已知震源點深度和坐標(biāo)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(shè)計提供依據(jù)。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(yuǎn)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(jù)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(jù)實際的經(jīng)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(jìn)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(guān)鍵參數(shù)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(shù)為6道,門檻值為1.8;隨機噪聲壓制中Hankel矩陣階數(shù)為3。對比研究中相同處理環(huán)節(jié)所采用的參數(shù)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(jìn)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(jìn)行網(wǎng)格剖分,并假設(shè)每一網(wǎng)格節(jié)點對應(yīng)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(tǒng)的走時,再根據(jù)走時對微地震數(shù)據(jù)進(jìn)行正常時差校正,然后進(jìn)行振幅包絡(luò)疊加,疊加振幅(能量)最大的網(wǎng)格點便為震源位置。文中網(wǎng)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(tǒng)對比分析

2.1 3種觀測系統(tǒng)定位精度對比

圖3展示了設(shè)計的3種觀測系統(tǒng)以及對應(yīng)的正演數(shù)據(jù)。圖中的平行四邊形是設(shè)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(yīng)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(tǒng)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(tǒng),圖3c為110道網(wǎng)格觀測系統(tǒng),圖3e為106道稀疏排列觀測系統(tǒng)。本文探討的稀疏排列是指除星型排列、規(guī)則網(wǎng)格排列外的排列方式,研究時采用接收孔徑內(nèi)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(chǎn)生,星型排列與網(wǎng)格排列中信號的時距特征清晰,可連續(xù)追蹤性強。當(dāng)3種觀測系統(tǒng)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(dāng)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(tǒng)不利于信號的連續(xù)追蹤和監(jiān)測資料處理定位中的質(zhì)量控制。當(dāng)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(tǒng)合成記錄為例(圖5)。研究證明當(dāng)數(shù)據(jù)中的微地震事件信號肉眼可見時,3種觀測系統(tǒng)都能準(zhǔn)確檢測并定位微地震事件,因此為分析3種觀測系統(tǒng)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(tǒng)合成記錄采用相同的處理流程和參數(shù),定位結(jié)果和相應(yīng)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(tǒng)定位結(jié)果與實際射孔點的空間相互位置關(guān)系,圖6b是定位結(jié)果的誤差分析統(tǒng)計圖。當(dāng)噪聲水平達(dá)到85%時,稀疏排列觀測系統(tǒng)只能定位20個事件點,并且誤差整體都比較大,而星型和網(wǎng)格型觀測系統(tǒng)能實現(xiàn)23個事件點的全部定位,誤差相對較小。網(wǎng)格型觀測系統(tǒng)的定位誤差雖然在部分點小于星型,但在處于井軌跡遠(yuǎn)端的定位結(jié)果偏離實際射孔點較遠(yuǎn),如圖6b 中事件點(震源點)1,誤差顯著大于星型觀測系統(tǒng)的定位結(jié)果。由此可見,星型觀測系統(tǒng)的定位結(jié)果略優(yōu)于網(wǎng)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(shè)備產(chǎn)生的噪聲是最主要的噪聲,星型觀測系統(tǒng)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(yuǎn)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(shè)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(tǒng)更具有適用性和靈活性。

圖3 3種觀測系統(tǒng)示意圖與相應(yīng)的正演數(shù)據(jù)a 星型排列;b 星型排列的正演數(shù)據(jù);c 網(wǎng)格排列;d 網(wǎng)格排列的正演數(shù)據(jù);e 稀疏排列;f 稀疏排列的正演數(shù)據(jù)

圖4 3種觀測系統(tǒng)70%噪聲數(shù)據(jù)去噪前、后效果對比a 星型排列去噪前數(shù)據(jù);b 星型排列去噪后數(shù)據(jù);c 網(wǎng)格排列去噪前數(shù)據(jù);d 網(wǎng)格排列去噪后數(shù)據(jù);e 稀疏排列去噪前數(shù)據(jù);f 稀疏排列去噪后數(shù)據(jù)

圖5 星型排列觀測系統(tǒng)記錄含85%噪聲數(shù)據(jù)去噪前(a)、后(b)結(jié)果對比

圖6 3種觀測系統(tǒng)定位結(jié)果(a)與誤差分析(b)

2.2 星型排列接收道數(shù)對比

研究用的模型和流程與上述觀測系統(tǒng)類型對比研究的相同。接收道數(shù)分別用了實際監(jiān)測的66道,設(shè)計的106道和211道,3種道數(shù)的星型觀測系統(tǒng)具有相同的波場接收孔徑。3種接收道數(shù)的正演微地震記錄分別與實際噪聲合成測試數(shù)據(jù),其中的噪聲比例分別為30%,50%,70%,85%,90%。如圖7所示,當(dāng)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(dāng)噪聲比例繼續(xù)增加時,66道接收的觀測系統(tǒng)對微地震事件的檢測定位能力急劇下降,當(dāng)噪聲到達(dá)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(tǒng)在此噪聲水平下還能檢測定位部分微地震事件。圖8是當(dāng)噪聲到達(dá)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(shù)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(tǒng)接收道數(shù)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(shù)對微地震事件的檢測定位能力

圖8 星型排列觀測系統(tǒng)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(tǒng)對微地震事件的檢測與定位能力,設(shè)計如圖9所示的星型觀測系統(tǒng)。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(tǒng)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(xiàn)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(tǒng)在道數(shù)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(tǒng)110道不同接收孔徑觀測系統(tǒng)a 120m道間距星型觀測系統(tǒng);b 70m道間距星型觀測系統(tǒng)

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(tǒng)的合成記錄,采用相同的參數(shù)與處理流程,對比去噪前、后的定位效果。當(dāng)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(tǒng)對比研究中,已證明當(dāng)微地震事件信號可見時,就能被準(zhǔn)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(jié)果誤差顯著減小,其平均誤差為5.54m,去噪前定位結(jié)果的平均誤差為11.07m。當(dāng)合成記錄中噪聲到達(dá)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(zhǔn)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(guān)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(chǎn)中的校驗炮信號(一般為射孔或?qū)П?是速度模型校正的重要先驗信息,因其是在已知位置進(jìn)行強能量激發(fā)產(chǎn)生并由地面微地震資料采集系統(tǒng)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(tǒng)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(shù),對去噪后的合成記錄進(jìn)行微地震事件定位。如圖13所示,當(dāng)速度模型的速度增大或減小時,其定位結(jié)果與正常速度模型定位結(jié)果相差很大。尤其是當(dāng)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(shù)多。將定位的微地震事件點逐一返回波形記錄數(shù)據(jù)上,刪除與正演記錄時間不符合的錯誤定位結(jié)果,然后計算定位正確事件點的定位誤差。其結(jié)果表明,不管速度模型準(zhǔn)確與否,微地震事件定位結(jié)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(dāng)大(圖13b)。所以,當(dāng)速度模型存在一定誤差的時候,定位結(jié)果會受到不同程度的影響,不準(zhǔn)確的速度模型對定位結(jié)果的深度影響很大。因此利用校驗炮信號進(jìn)行速度模型優(yōu)化處理至關(guān)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(shù)據(jù),以用于速度模型校正,提高監(jiān)測結(jié)果的可信度。

圖11 星型排列觀測系統(tǒng)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(tǒng)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(jié)果與誤差對比a 定位側(cè)視效果;b 定位結(jié)果的深度誤差;c 定位結(jié)果的北方向誤差;d 定位結(jié)果的東方向誤差

3 結(jié)論及認(rèn)識

基于實際水平井的壓裂地面微地震資料和正演數(shù)據(jù)分析,主要結(jié)論如下:

1) 星型觀測系統(tǒng)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(wǎng)格型觀測系統(tǒng),稀疏排列觀測系統(tǒng)效果最差;

2) 地面微地震觀測系統(tǒng)的定位能力受資料信噪比的影響大,在成本允許時應(yīng)盡量增加接收道數(shù),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(dāng)采用星型觀測系統(tǒng)時,在道數(shù)一定的情況下,應(yīng)該在接收孔徑內(nèi)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(hù)弱信號的噪聲壓制處理技術(shù)可提高地面微地震監(jiān)測的震源定位能力和精度;

4) 準(zhǔn)確的速度模型是地面微地震監(jiān)測成功的關(guān)鍵,有必要采集校驗炮信號數(shù)據(jù)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(jù)監(jiān)測目的和成本,在壓裂施工開始前做好噪聲調(diào)查及采集觀測系統(tǒng)研究。分析認(rèn)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。