基于P波辐射花样的压裂微地震震源机制反演方法研究及应用

受地面微地震监测范围有限的影响,利用P波初动极性进行水力压裂裂缝破裂面反演时存在较大的不确定性。提出了一种改进的压裂微地震震源机制反演方法,在P波初动极性反演方法的基础上,增加归一化的P波振幅(辐射花样)对震源机制破裂面解进行约束。利用合成记录验证了该方法的稳定性和可靠性。采用该方法在四川盆地某压裂井的地面微地震监测中进行震源机制反演和分析,取得了较好的应用效果。     

利用单井微地震波形能量反演震源机制

微地震震源机制包含关于储层以及裂缝特征信息,对于评价水力压裂储层改造效果具有十分重要意义。在单井井中观测条件下,采用传统S/P波振幅比方法求解微地震震源机制,受观测方位角单一、张角有限的影响,效果往往不理想。本文探讨了微地震事件P、S波能量与裂缝破裂面参数之间的联系,发现微地震事件能量对裂缝破裂面参数较敏感。在已知震源位置及标量地震矩的前提下,采用微地震事件P、S波能量作为反演特征参数,利用加权K最近邻算法建立目标函数,反演求解微地震震源机制。模型测试表明,在监测数据不含噪声的情况下,使用该方法反演的震源机制解准确率高达97%;在有噪声情况下,当信噪比较高时,本文方法与S/P波振幅比方法效果相当,当信噪比较低时,本方法反演精度优于S/P波振幅比方法。将该方法应用于实际微地震监测资料,取得了较好的应用效果。     

基于自适应震源子波提取与校正的瑞利波波形反演

近年来,基于瑞利波的全波形反演技术取得了较大进展,在接收点覆盖面积足够的情况下,该方法对横向不均匀复杂介质具有较高的分辨能力。影响波形反演精度的关键因素之一是震源子波,然而野外地震记录对应的地震子波是未知的,采用不正确的震源子波势必对反演结果产生负面影响,常规处理方法是利用合成数据进行子波校正,但子波校正需进行多次迭代,导致反演计算时间增加。为了解决这一问题,引入加窗自适应子波提取方法,从观测记录中提取与实际数据匹配较好的震源子波,将其作为初始子波进行子波校正,达到进一步优化反演结果的目的。分别采用真实子波、错误子波、错误子波联合子波校正、提取子波、提取子波联合子波校正五种子波对断层模型进行反演测试。测试结果表明：所提方法获得的子波对应的反演结果最好,错误的子波对应的结果最差;仅利用提取的子波也可以获得较好的反演效果,而采用子波提取与校正相结合的方法可以节省计算时间,进一步提高瑞利波波形反演的精度。最后通过实际数据测试进一步验证了该结论。     

P波初动震源机制解在水力压裂微地震监测中的应用

微地震监测技术是水力压裂过程监测及压裂效果评价的重要手段。P波初动震源机制解是研究震源参数的有效工具。基于格点搜索算法求解水力压裂裂缝的P波初动震源机制解,进而得到其方位参数——方位角、倾角和滑动角,为压裂裂缝的解释和压裂效果评价提供有效依据。简单介绍了利用P波初动极性信息反演水力压裂裂缝参数的方法原理,并通过水力压裂裂缝模型对该方法的应用效果进行了测试,最后将该方法应用于四川某页岩气压裂井的实际地面微地震监测资料,得到了合理的单裂缝解释结果。     

微地震震源矢量反演

为了提高微地震定位的精度,利用观测的三分量数据,从震源的矩张量分析开始,研究了微地震震源矢量反演方法。主要包括:1利用简化的高斯束射线追踪方法进行微地震震源矢量场的格林函数正演;2改进了走时距离反演,将常规网格搜索方法改进为黄金分割网格搜索方法;3在对数域进行走时正演和反演迭代计算,提高了径向距离对走时的敏感性。通过分析震源矢量、地层响应矢量及检波器响应矢量特性,结合检波器三分量坐标系标定不准确问题,研究并提出了震源矢量、检波器方位角同时反演的策略。在反演过程中加入了同一个震源事件绝对方位角相等的约束条件,提高了反演结果的可靠性。通过模型和实际资料分析,验证了上述方法的正确性和有效性。     

水力压裂诱发的剪张型微地震震源机制矩张量反演方法

受井中接收器数量的限制以及井中监测张角小且方位单一等因素的影响,井中微地震监测信号的震源定位和震源机理分析结果有时不够准确。为此,研究了利用地表接收的P波初动振幅信息反演压裂裂缝震源机制解的方法原理,首先利用点源在均匀弹性介质中P波和S波的质点运动方程计算格林函数,然后通过理论模型计算振幅信息,最后测试、分析矩张量反演方法的应用效果,得到以下认识：①采用全矩张量反演时各向同性（ISO）分量相对补偿线性矢量偶极（CLVD）分量对误差不敏感,这是由于在矩张量分解时,ISO分量是矩张量特征值的线性函数,而CLVD分量是非线性函数;②观测系统对非双力偶（非DC）分量的反演结果非常重要,合适的观测系统可增加地震矩张量DC和非DC分量分析的可信度;③辐射花样可观测破裂面的几何分布和破裂机制类型,不同震源类型的辐射花样间存在差异,因此有限的震源球覆盖导致反演多解性。     

剪张源约束下的单井微地震震源机制反演

水力压裂微地震监测数据中包含震源机理信息,可以用于描述裂缝破裂类型及工区应力状态,对压裂效果评价及后续压裂方案制定具有重要指导意义。单井观测系统监测张角小、方位单一,全矩张量反演难以进行。为此,将震源约束为“剪切—张裂”模式,综合利用压裂射孔、测井及定位资料,设计了一种基于三分量微地震记录各道P、S波波形能量和初至极性匹配的目标函数,进行全空间网格搜索的单井微地震震源机制反演方法。合成数据测试结果表明：无噪声条件下,该方法的各参数反演准确率均超过81%,10dB噪声条件下反演准确率也高于51%,且各参数抗噪能力依次为：张裂角 > 倾角 > 走向角 > 滑动角。最后将该方法应用于实际页岩压裂微地震资料,反演结果表明该段压裂的微地震事件主要由岩体受一对力偶或两对大小不同力偶的破裂和滑移形成,且岩石受挤压破裂而形成的闭合型裂缝要多于因扩张破裂形成的张开型裂缝。     

地面微地震资料震源定位的贝叶斯反演方法

针对地面微地震资料信噪比低、初至拾取不准、速度模型难以准确建立等问题,以及地面微地震资料多条测线测量和浅地表地层速度变化复杂特点,研究了地面微地震资料震源定位的贝叶斯反演方法,把所有测线反演结果设定为一个全概率事件,每条测线反演问题设定为一个划分,讨论利用贝叶斯最大后验方法反演震源位置。在反演时浅部采用横向变速模型,中深部采用水平横向均匀速度模型模型。对目标函数的后验概率密度函数、加权函数后验密度函数、速度参数方差的后验概率密度函数进行理论模型拟合,并取拟合后结果作为估计概率密度。采用极快速模拟退火方法加网格法的混合算法作为搜索方法,以网格算法为先导使搜索落入最优解所在的凸区间,再利用极快速模拟退火算法搜索最优解,这样既可以防止算法收敛于局部极值点,又极大地提高了算法的收敛速度。通过理论模型和实际资料验证了该方法的应用效果,即对随机跳动误差较大初至反演能够保证反演结果的精度。     

基于三分量的微地震震源反演方法与效果

微地震检测的关键是确定微震源的位置。本文讨论了利用井下多级三分量检波器资料反演微震源位置的新方法。首先用射孔直达纵波水平分量确定检波器的方位角;再在三维空间逐点对检波器组计算直达波旅行时并通过沿直达纵波时距曲线进行能量叠加,反演得到微地震震源位置的分布范围;针对微震源反演存在的多解性问题,利用微地震直达纵波水平检波器分量变换和震—检地理方位角的关系确定微震源的方位角;最后采用两种空间点集的统计方法确定微震源点的位置坐标。在均匀介质、斜井直线观测系统的三分量微地震正演模拟记录上所作的微震源反演试验表明,在信噪比较低的情况下,利用这些方法可以有效与稳定地反演微震源的位置。     

井地联合观测多分量微地震逆时干涉定位

微地震监测有井中和地面两种方式,而震源定位是最基本的问题。地面监测定位的纵向误差较大,井中监测的横向误差较大。为提高震源定位的准确性,本文采用井中和地面联合观测的方式,并且将逆时定位与干涉成像条件相结合,进行震源定位,提出了井地联合观测的逆时干涉定位算法。弹性波正演模型和随机模型的试算结果表明,该方法在稀疏观测、速度模型不准确地情况下,依然可以较为准确的定位,有效提高了震源定位的准确性。     

基于初至旅行时差的微地震速度模型反演

为精确定位微地震震源,需已知压裂井和监测井所在工区准确的地层速度模型。常规速度建模方法需用射孔记录中P波和S波初至旅行时信息校正地层速度,这要求已知准确的射孔起始时间。然而受施工条件等因素影响,实际监测过程中射孔的起始时间很难准确测量。因此,本文基于Levenberg-Marquardt反演算法,提出一种利用初至波旅行时差信息替代旅行时进行速度模型反演的方法,该方法可在射孔起始时间未知的情况下反演出地层速度模型。利用该方法分别对模型数据和实际资料进行试处理,从处理结果可以看出:虽然受观测系统布设位置及初至拾取精度等因素影响,反演出的速度模型存在一定误差,但利用该模型可将射孔位置定位到其真实位置附近,表明该速度模型可用于微地震震源定位。     

纵横波分离的多震源弹性波全波形反演

弹性波全波形反演（EFWI）具有获取高精度纵、横波速度和地层密度的潜力,但计算成本高。纵、横波耦合会引起串扰噪声,降低反演精度。多震源编码技术能大大提高EFWI的计算效率,但会增加波场的复杂度,致使非线性问题更严重。为此,提出一种基于纵、横波分离的多震源弹性波全波形反演（ES_SEFWI）方法,通过动态震源随机编码技术压制多震源串扰噪声,同时采用波场分离技术缓解纵、横波耦合引起的串扰效应。纵、横波速度结构相关的Marmousi模型和纵横波速度结构不相关的Marmousi-Ⅱ模型测试结果表明,所提反演方法能有效压制串扰噪声并提高计算效率。     

基于分频编码的弹性波全波形反演

计算量与计算效率限制了全波形反演方法的应用，震源编码技术可以有效减少全波形反演的计算量，提升反演效率。传统震源编码技术要求各炮具有相同的接收点排列，在观测系统适应性方面存在不足，无法直接应用于滚动排列观测系统。为此，提出一种基于分频编码的弹性波全波形反演方法，即在正演过程中仍可同时对多个炮记录进行正向延拓，给每一炮赋以不同频率的谐波震源，使同时进行正向延拓的各炮波场在频谱上互不重合；在炮点波场正传和残差反传过程中，采用相位灵敏度检测技术提取每炮的单频波场，实现各炮波场的完全分离，用于构建波形反演梯度，实现模型更新。同传统震源编码技术相比，该方法不受观测系统限制，能应用于排列滚动的观测系统，具有更广的应用范围。     

基于微地震裂缝参数反演的解释与应用研究

微地震监测技术是水力压裂中监测裂缝发育情况的有效地震方法,但在实际应用中仍存在诸多问题。为此,开展了地面微地震震源机制反演及裂缝解释技术在四川盆地页岩气藏勘探中的应用研究。根据地面观测的微地震数据,采用矩张量反演获得微地震事件的震源机制;基于震源机制结果计算微地震事件震级以及裂缝的地质参数;在统计的裂缝地质参数上解释裂缝发育情况,为油藏描述提供有效的信息。四川盆地页岩气实际资料的应用结果表明,研究区水平井的压裂设计合理,发育裂缝为高角度缝;根据统计的裂缝方位角度和实际的地下应力状况,建立了走滑型剪切裂缝模型;在裂缝模型上了解局部最大、最小水平应力方向,建议井布置方位在现有方位上调整为北偏西约10°。     

同时震源数据的直接反演分离

近年来同时震源混合采集技术在高密度、宽方位勘探方面显示出广阔的应用前景。根据地震数据空间带宽有限的特点,讨论了直接反演分离方法。与常规的约束迭代反演分离算法不同,此方法无需迭代,只需在时间延迟算子的伪逆中加入基础点扩散矩阵,即可实现频率域混合数据的直接分离。通过改变基础点扩散矩阵,可将直接反演分离方法推广到检波点和炮点不规则排列的情形。理论模型数据测试结果表明,在满足分离条件下,该方法可以取得良好的分离效果,体现了准确、高效的特点。     

从海洋地震资料直达波提取震源子波

震源信号在地震偏移成像、正演模拟、全波形反演、多次波压制等处理中起重要作用,其关键是获取震源信号子波。本文通过推导直达波时距曲线,考虑了震源和接收系统组合效应,结合气泡振荡理论,得到直达波与震源信号之间的关系式,并给出了频率域利用直达波计算震源信号远场子波的解析解。当地震数据接收位置满足震源组合阵列远场条件时,可利用直达波计算震源信号远场子波。即避开地层反射信息对地震子波提取的影响,先从地震数据中分离出直达波,再利用直达波以精确的解析解公式计算震源信号远场子波。合成数据计算和实际地震处理的结果均表明,本文方法经济实用、精度高。     

椭圆各向异性微地震震源定位方法研究

微地震监测在非常规油气开发中起重要作用,其关键技术之一是震源定位,准确定位是地质及工程解释的前提。目前震源定位常采用各向同性速度模型、时差定位方法,这种处理结果与实际介质情况误差较大。本文首先探讨了一种水平层状椭圆各向异性介质情况下准确、快速的射线追踪方法,可以快速精确地计算初至时间,用于提高震源定位精度。椭圆各向异性介质的速度主要包括纵向速度和横向速度,相比强各向异性介质更易建模。纵向速度可从声波测井获得,横向速度可从测井、射孔或导爆索信号反演获得。最后采用经典Geiger定位方法进行理论试算,同时对比了强各向异性介质情况下各向同性模型近似和椭圆各向异性模型近似的定位精度。试算结果表明,强各向异性介质情况下的椭圆各向异性模型近似,能够获得比各向同性介质近似更精确的定位结果。     

剪张型微地震震源机制与振幅分布特征

水力压裂诱发的微地震事件中有很多为非双力偶源,表明岩石可能发生了剪张破裂。与纯剪切型震源相比,剪张型震源在震源特征以及记录振幅方面存在诸多差异。本文研究了剪张源微地震震源机制,分析了剪张源微地震信号的辐射花样和能量传播特征,通过数值计算获得了地表接收的不同震相的振幅分布。主要内容包括： 1水力压裂微地震中剪张破裂被认为是较为合理的震源模型,可以采用走向角、倾角、滑动角和张裂角表示其源张量,结合介质参数可获得矩张量; 2剪张源包含双力偶（DC）成分和非双力偶（Non-DC）成分,非DC成分包括补偿线性偶极子（CLVD）和各向同性（ISO）成分,各成分的百分比可采用Hudson图和钻石图等进行研究; 3剪张型震源辐射能量会随张裂角而发生变化,地面接收的信号振幅分布与震源机制、模型参数和检波器位置等有关。研究剪张型微地震震源机制与振幅分布特征,可以更清楚地认识微地震震源特征及其信号分布规律。     

P波可控震源产生的波——用井内三分量检波器观测P波和S波

S 波勘探为当今世界所瞩目,纷纷进行试验和研究。P 波和 S 波结合起来可以得到 P 波无法得到的重要的地下信息(孔隙率、孔隙内流体、泊松比等)。S 波勘探中当前最重要的问题是震源。为此,我们研究和生产了 S 波震源,其中效果最好的并能勘探到深部地层的是可控震源。方法是用钉子把铁板固定,在铁板上放置一堆重物,然后以水平方向连续变频震动铁板。因为这种方法会给地面造成损坏,而且难以采用,所以只好采用 P 波可控震源。Edelmann(1981)发明了用二台反相位 P 波可控震源以压制中间的 P 波,从而增强 S 波。这种方法被称为 Shover S 波新产生法。它仍使用原来的 P 波可控震源,但不会给地面带来损坏,可以说是简便的S波产生法。但Edelmann论文中对波干扰的利用和S波的实际地层传播能量讨论的不深刻(Dankbaar,1982).本文在介绍Shover方法的基础上,详细地研究了一台P波可控震源产生的S波,然后对二台反相位可控震源压制中问P波,增强S波的情况作了验证。此外,还研究二台反相位可控震源的VSP勘探。研究结果证明,本方法产生S波的能量可达到深层。     

应用SVD约束的迭代反演混叠噪声压制方法

超高效混叠采集技术可实现多组震源同时激发产生地震波场,大幅度提高采集效率,但往往会导致相邻震源之间产生波场交叉而相互干涉,显著降低地震数据的信噪比。为此,提出一种基于奇异值分解（SVD）约束迭代反演的混叠噪声压制方法。首先以选定区域的混叠噪声奇异值对混叠数据的奇异值向量进行约束,然后利用迭代反演的策略逐步更新混叠数据的奇异值向量,最终在共炮检距域或动校正后的共中心点域实现混叠噪声与有效信号的分离。数据测试结果表明,该方法可在压制混叠噪声的同时,充分地保护有效信号。