基于优化波形叠加的井中微地震定位方法.pdf
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1、2023 年 10 月第 58 卷 第 5 期基于优化波形叠加的井中微地震定位方法毛庆辉*1,2,陈君武3,王鹏1,钟雨4,祖满5,桂志先1(1.油气资源与勘探技术教育部重点实验室(长江大学),湖北武汉 430100;2.长江大学非常规油气省部共建协同创新中心,湖北武汉 430100;3.东方地球物理公司新兴物探开发处,河北涿州 072751;4.湖北汽车工业学院电气与信息工程学院,湖北十堰 442002;5.中国石油华北油田公司勘探开发研究院,河北任丘 062552)摘要:基于波形叠加的微地震事件偏移定位技术因其具有不依赖于初至拾取精度的优势,逐渐被应用于非常规油气储层压裂监测资料处理。然而
2、在相对低信噪比情况下,该类技术的常规成像函数分辨率会在一定程度上受到影响。为此,基于前人的研究成果,对波形相似性加权振幅叠加的成像函数构造方法进行了改进,提出一种优化波形叠加的井中微地震定位方法。首先将纵、横波波形相似性基函数进行相乘,再将其振幅叠加基函数进行相乘,然后将这两个乘积再相乘,最后在整个时窗内对其求和。该方法可提高波形叠加成像函数的分辨率。理论测试结果表明,与常规方法相比,改进方法具有更强的抗噪性和更高的定位精度。最后将常规方法与改进方法应用于井中监测的实际微地震数据,验证了方法的有效性。关键词:井中微地震监测,微地震事件,定位,波形叠加,成像函数中图分类号:P631 文献标识码:
3、A doi:10.13810/ki.issn.10007210.2023.05.013Downhole microseismic location method based on waveform stacking optimizationMAO Qinghui1,2,CHEN Junwu3,WANG Peng1,ZHONG Yu4,ZU Man5,GUI Zhixian1(1.Key Laboratory of Exploration Technologies for Oil and Gas Resources(Yangtze University),Ministry of Educatio
4、n,Wuhan,Hubei 430100,China;2.Cooperative Innovation Center of Unconventional Oil and Gas(Ministry of Education&Hubei Province),Yangtze University,Wuhan,Hubei 430100,China;3.New Resources Geophysical Exploration Division,BGP Inc.,CNPC,Zhuozhou,Hebei 072751,China;4.College of Electrical&Information Ee
5、gineering,Hubei University of Automotive Technology,Shiyan,Hubei 442002,China;5.Exploration and Development Research Institute,PetroChina Huabei Oilfield Company,Renqiu,Hebei 062552,China)Abstract:The migrationbased location technologies using waveform stacking for microseismic events have been grad
6、ually used for fracturing monitoring data processing in unconventional oil and gas reservoirs because of their advantage of not relying on the accuracy of first break picking.However,the resolution of conventional imaging functions from these technologies may be affected by a relatively low signalto
7、noise ratio(SNR)to some extent.Therefore,based on previous research results,this paper improves an imaging function construction method of semblanceweighted amplitude stacking and proposes a downhole microseismic location method based on waveform stacking optimization.The proposed method can enhance
8、 the resolution of waveform stack imaging functions by multiplying the multiplication of the basic units of P and Swave semblance functions with that of the basic units of P and Swave waveform stacking functions before summing in the time window.The theoretical test results show that the improved me
9、thod has better noise immunity and higher location precision compared with the conventional method.Finally,the conventional and improved methods are applied to real microseismic data acquired from one downhole monitoring well,and the effectiveness of the proposed method is verified.Keywords:downhole
10、 microseismic monitoring,microseismic event,location,waveform stacking,imaging function毛庆辉,陈君武,王鹏,等.基于优化波形叠加的井中微地震定位方法 J.石油地球物理勘探,2023,58(5):11641172.微地震 文章编号:1000-7210(2023)05-1164-09 湖北省武汉市蔡甸区蔡甸街道大学路 111号长江大学非常规油气省部共建协同创新中心,430100。Email: 本文于 2022年 7月 28日收到,最终修改稿于 2023年 6月 25日收到。本项研究受国家自然科学基金项目“基于极
11、性修正波形叠加的井中压裂监测微地震事件相对偏移定位方法”(42204125)、“水力压裂时域电磁监测方法研究与综合应用”(42030805)和油气资源与勘探技术教育部重点实验室(长江大学)开放基金项目“基于深度学习的井中压裂监测微地震事件偏移定位方法研究”(K202119)联合资助。MAO Qinghui,CHEN Junwu,WANG Peng,et al.Downhole microseismic location method based on waveform stacking optimization J.Oil Geophysical Prospecting,2023,58(5):
12、11641172.0引言微地震监测技术被广泛地应用于页岩层、致密层和干热岩等非常规资源的压裂开发,为评价压裂效果和调整压裂方案等提供了技术手段,从而为非常规资源的产能提高奠定了基础13。在储层压裂监测资料处理中,微地震事件定位准确与否直接影响压裂裂缝形态的解释 4。但在实际储层压裂监测作业中,由于微地震资料信噪比可能较低或能量较弱,增加了准确拾取微地震事件初至的难度,初至拾取误差对基于旅行时的微地震事件定位方法的精度影响尤为显著56。而基于波形叠加目标函数的微地震事件偏移定位不需要初至数据,定位精度不受初至拾取误差的影响,更适应井中低信噪比微地震资料反演处理,但其精度受波形叠加函数构造方法的影
13、响7。前人提出了基于振幅78、波形相似性9 和互相关1013 的波形叠加成像函数构造方法。基于波形相似性和互相关的目标函数均用于衡量波形相干性,因此这两类方法的精度相差不大,但互相关方法在计算互相关系数时计算量更大,限制了该方法的实际应用14。基于单一的振幅叠加或波形相似性构造方法的精度均不高,故一些学者认为将波形相似性及振幅叠加相结合可进一步提高成像函数的分辨率。Eaton等15 将波形相似性函数与振幅叠加函数相结合,提出了基于波形相似性加权振幅叠加的定位方法。随后一些学者对该经典算法进行了改进及深入分析,Zhang等16 基于三分量信息,提出了基于波形相似性加权振幅叠加的交叉分量互相关方法
14、,在一定程度上提高了定位结果的分辨率;Zhao等17 分析了地面观测系统采集参数对波形相似性加权振幅叠加定位结果的影响,认为地面排列具有更多检波器和更小的检波器间距时,该方法可提高定位结果的纵向分辨率;Zhang等18 深入分析了波形相似性加权振幅叠加方法的分辨率,认为其相似性构造函数和振幅叠加构造函数的分辨率与检波器分布有关,不同方向的分辨率不同,在井中观测时,相似性构造函数在沿着检波器到震源方向上不确定性更大,而沿着其垂直方向上分辨率更高;振幅叠加构造函数在沿着检波器到震源方向上分辨率更高,而沿着其垂直方向上不确定性更大。此外,针对震源机制产生辐射花样后造成的极性变化,一些学者采用绝对值类
15、处理方法规避了极性变化,虽然提高了解的稳定性,但以牺牲成像函数分辨率为代价14。随后,Trojanowski等14、Kim等19 和Xu等2021 认为极性修正方法可改善波形一致性叠加效果,从而提高波形叠加函数分辨率。对原始波形进行极性修正处理后,常规波形叠加成像函数的分辨率仍有待于进一步提高。基于前人的研究结果,为提高波形叠加成像函数的分辨率,本文提出一种优化波形相似性加权振幅叠加的成像函数构造方法,即先将纵、横波波形相似性基函数相乘,再将其振幅叠加基函数相乘,然后将两个积相乘,最后在整个时窗内对其求和。用理论模型和实际资料对常规方法与本文改进方法进行了效果测试和对比。1原理波形叠加偏移定位
16、方法首先利用射线追踪计算震源(事件)点到每一个接收点的时间,以其中一个为参考时间构建每个接收点的时移量;其次,应用时移量校正后,由同一个震源产生、不同接收点的记录必然同时具有强振幅,基于上述原理可用波形叠加为成像函数求得震源的时空参数22。前人的研究成果表明,联合利用纵波和横波信息进行波形叠加可提高微地震事件偏移定位精度16,18,23。根据研究目的,本文仅深入讨论基于纵、横波的成像函数构造方法。1.1成像函数振幅叠加、互相关函数及相似性函数各自在提高成像函数分辨率上受到一定限制18。而与互相关函数相比,相似性成像函数分辨率相差不大,且计算量更小,故本文仅讨论如何构造基于波形相似性和振幅叠加的
17、成像函数。1.1.1基于波形相似性加权振幅叠加的成像函数Zhang等 18 发展了一种波形相似性加权振幅叠加的定位方法,为了消除震源机制辐射花样造成的极性变化,该方法的输入波形数据均采用振幅绝对值或平方。针对同一个事件,通过主事件信息计算由速度模型误差造成的每个检波器的纵、横波旅行时校正量24。以该事件的横波近似初至作为参考旅行时为第 58 卷 第 5 期毛庆辉,等:基于优化波形叠加的井中微地震定位方法MAO Qinghui,CHEN Junwu,WANG Peng,et al.Downhole microseismic location method based on waveform st
18、acking optimization J.Oil Geophysical Prospecting,2023,58(5):11641172.0引言微地震监测技术被广泛地应用于页岩层、致密层和干热岩等非常规资源的压裂开发,为评价压裂效果和调整压裂方案等提供了技术手段,从而为非常规资源的产能提高奠定了基础13。在储层压裂监测资料处理中,微地震事件定位准确与否直接影响压裂裂缝形态的解释 4。但在实际储层压裂监测作业中,由于微地震资料信噪比可能较低或能量较弱,增加了准确拾取微地震事件初至的难度,初至拾取误差对基于旅行时的微地震事件定位方法的精度影响尤为显著56。而基于波形叠加目标函数的微地震事件偏移定
19、位不需要初至数据,定位精度不受初至拾取误差的影响,更适应井中低信噪比微地震资料反演处理,但其精度受波形叠加函数构造方法的影响7。前人提出了基于振幅78、波形相似性9 和互相关1013 的波形叠加成像函数构造方法。基于波形相似性和互相关的目标函数均用于衡量波形相干性,因此这两类方法的精度相差不大,但互相关方法在计算互相关系数时计算量更大,限制了该方法的实际应用14。基于单一的振幅叠加或波形相似性构造方法的精度均不高,故一些学者认为将波形相似性及振幅叠加相结合可进一步提高成像函数的分辨率。Eaton等15 将波形相似性函数与振幅叠加函数相结合,提出了基于波形相似性加权振幅叠加的定位方法。随后一些学
20、者对该经典算法进行了改进及深入分析,Zhang等16 基于三分量信息,提出了基于波形相似性加权振幅叠加的交叉分量互相关方法,在一定程度上提高了定位结果的分辨率;Zhao等17 分析了地面观测系统采集参数对波形相似性加权振幅叠加定位结果的影响,认为地面排列具有更多检波器和更小的检波器间距时,该方法可提高定位结果的纵向分辨率;Zhang等18 深入分析了波形相似性加权振幅叠加方法的分辨率,认为其相似性构造函数和振幅叠加构造函数的分辨率与检波器分布有关,不同方向的分辨率不同,在井中观测时,相似性构造函数在沿着检波器到震源方向上不确定性更大,而沿着其垂直方向上分辨率更高;振幅叠加构造函数在沿着检波器到
21、震源方向上分辨率更高,而沿着其垂直方向上不确定性更大。此外,针对震源机制产生辐射花样后造成的极性变化,一些学者采用绝对值类处理方法规避了极性变化,虽然提高了解的稳定性,但以牺牲成像函数分辨率为代价14。随后,Trojanowski等14、Kim等19 和Xu等2021 认为极性修正方法可改善波形一致性叠加效果,从而提高波形叠加函数分辨率。对原始波形进行极性修正处理后,常规波形叠加成像函数的分辨率仍有待于进一步提高。基于前人的研究结果,为提高波形叠加成像函数的分辨率,本文提出一种优化波形相似性加权振幅叠加的成像函数构造方法,即先将纵、横波波形相似性基函数相乘,再将其振幅叠加基函数相乘,然后将两个
22、积相乘,最后在整个时窗内对其求和。用理论模型和实际资料对常规方法与本文改进方法进行了效果测试和对比。1原理波形叠加偏移定位方法首先利用射线追踪计算震源(事件)点到每一个接收点的时间,以其中一个为参考时间构建每个接收点的时移量;其次,应用时移量校正后,由同一个震源产生、不同接收点的记录必然同时具有强振幅,基于上述原理可用波形叠加为成像函数求得震源的时空参数22。前人的研究成果表明,联合利用纵波和横波信息进行波形叠加可提高微地震事件偏移定位精度16,18,23。根据研究目的,本文仅深入讨论基于纵、横波的成像函数构造方法。1.1成像函数振幅叠加、互相关函数及相似性函数各自在提高成像函数分辨率上受到一
23、定限制18。而与互相关函数相比,相似性成像函数分辨率相差不大,且计算量更小,故本文仅讨论如何构造基于波形相似性和振幅叠加的成像函数。1.1.1基于波形相似性加权振幅叠加的成像函数Zhang等 18 发展了一种波形相似性加权振幅叠加的定位方法,为了消除震源机制辐射花样造成的极性变化,该方法的输入波形数据均采用振幅绝对值或平方。针对同一个事件,通过主事件信息计算由速度模型误差造成的每个检波器的纵、横波旅行时校正量24。以该事件的横波近似初至作为参考旅行时为1165石 油 地 球 物 理 勘 探2023 年例,假设震源点到第 i个检波器应用旅行时校正量后纵、横波理论旅行时记为tki(k为P或S,表示
24、纵波或横波),到第 m个检波器应用旅行时校正量后横波理论旅行时记为tSm,则可构造第 i个检波器的纵波或横波与第m个检波器的横波理论时差tki=tki-tSm(1)则波形相似性函数定义为S(t)=SP(t)SS(t)(2)Sk(t)=t-w1t+w1 i=1n|ui(tki+)|2n=t-w1t+w1i=1n|ui(tki+)2(3)式中:t 表示时间,范围为 tSmFA-w2,tSmFA+w2,其中tSmFA是该事件第m个检波器记录横波的近似初至估计值,2w2为外时窗长度;n是检波器总数;ui是第 i检波器地震信号振幅;2w1为内时窗长度。振幅叠加函数为(t)=1ni=1nPi(t)Si(t
25、)(4)ki(t)=t-w1t+w1Vi(tki+)2w1+1(5)Vi(ti)=STA(ti)LTA(ti)=1nsa=0ns-1|ui(ti-at)21nla=0nl-1|ui(ti-at)2(6)式中:Pi(t)、Si(t)分别为纵、横波的振幅叠加能量;Vi(ti)为第 i个检波器在时间 ti处能量比值;STA 和LTA分别为短、长时窗内信号能量的平均值;t为采样间隔;ns、nl分别是短、长时窗内样点数。定义波形相似性加权振幅叠加成像函数为I(t)=(t)S2(t)(7)1.1.2基于极性修正波形相似性加权振幅叠加的成像函数式(4)的振幅叠加函数因采用长、短时窗平均能量作为输入,不适合应
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