地面微地震监测采集观测系统正演研究

刘萝卜锅

这是阿什卡微信公众号的第408篇原创文章

首发于2017年8月1日

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地面微地震监测采集观测系统正演研究

作者｜任朝发① 姚同云②

①大庆油田勘探开发研究院 黑龙江大庆 163712

②阿什卡公司 北京朝阳区 100101

摘要

由于井中微地震监测距离的局限性和对压裂裂缝破裂描述能力的限制，近十年来地面微地震监测技术得到快速发展。

目前，国际上比较常见的地面微地震采集方式，主要以上千道星形排列为代表，已得到认可和较广泛应用。

而国内主要有星型排列、网格排列和散点排列三种观测系统，接收道数相差很大，尤其在大庆探区试验的地面观测系统接收道数从十几个到几十个不等，应用效果不甚理想。

为了确定适合大庆探区的地面微地震观测方式，且能充分发挥微地震监测的作用而达到成本最优，本文利用大庆探区实际水平井压裂地面采集噪音数据，通过正演模拟方式，论证了三种观测方式在不同噪音水平下对微地震事件的定位能力与精度，并对比了具有不同接收道数的星型观测系统的震源定位精度，结果证明在相同条件下星型排列的效果最佳。

同时，虽然星型排列接收道数越多越适合低信噪比数据，但论证的结果给出了百道的星型排列观测方式可用于大庆探区地表条件和压裂规模，为大庆探区实际的地面微地震监测提供了很好的指导作用。

关键词  地面微地震监测 观测系统 接收道数 正演研究

1引言

随着非常规和低渗透油气藏的开采开发，水力压裂技术在储层改造中起着举足轻重的作用。

微地震监测技术是评价水力压裂效果和优化储层压裂成本的关键技术，已成为水力压裂过程中的标准作业。

最近十年来，地面微地震监测技术快速发展并被较广泛应用，其在监测目标区域周围的地面上，布置多条测线和若干接收点进行压裂施工监测。

与井中微地震监测相比，地面监测具有以下优点：

①地面监测的检波器阵列可布设灵活，尤其在勘探评价区块无合适监测井时；

②地面监测利用多道叠加以压制噪音提高信噪比，并普遍采用震源扫描叠加类算法进行微地震事件检测，可检测SNR小于1的微地震事件，而井下监测一般要求事件SNR大于3；

③地面监测结果除指导压裂施工临场决策、估算储层改造体积外，由于其更加完整的覆盖震源辐射波场，可开展震源机制研究以解释岩石破裂模式。

目前，主流的地面微地震监测的事件定位算法需要高密度地面监测台站保证监测的质量，采集均为大范围部署地面排列（通常达到千道以上），可在处理过程中通过去噪和叠加方法减小噪声，还可以利用特殊排列图形来减少噪声，如放射状（星型）排列等。

而国内的地面微地震监测市场主要存在三种观测系统，即星型排列、网格排列和散点排列，出于成本和施工效率等因素考虑，接收道数较少，这种采集条件下，资料中多数微地震信号可识别时，采用几十个站点可以将微地震事件成像并定位。

但在大庆探区试验的地面微地震监测，接收道数从十几个到几十个不等，可识别的微地震信号极少。

从目前在大庆的应用效果看，虽然压裂监测裂缝走向与主应力方向基本吻合，但压裂裂缝形态的解释可信度较低，因此有必要进行地面微地震监测采集观测系统论证，为可行、有效的水力压裂地面微地震监测提供排列布置指导。

Chambers 等进行了地面观测方式探测微弱信号的可探测性研究，在固定检波器排列方式和个数下（800个接收道的八臂星型排列），分析不同信噪比时震源定位能力，表明地面监测能成功地对原始数据里信号太弱以致不可见的微震事件进行定位成像。

与其研究不同的是，本文依据目前大庆探区试验的星型排列、网格排列和散点排列方式，结合以往实际施工井的水平井轨迹及射孔位置、地面监测噪声、监测井的速度及深度资料等，通过正演研究，论证三种观测方式在不同噪音水平下对微震事件的定位能力与精度，并对比具有不同接收道数的星型观测系统的震源定位精度，确定适合大庆探区的地面微地震观测方式，以充分发挥微地震监测作用并减少施工成本。

2地面观测系统对比分析

2.1实际水平井模型及正演模拟

本次正演研究设计参数包括速度模型、噪音文件、已知震源点深度和坐标等，均来自一口水平井的实际地面微地震压裂监测项目。

此项目为了开展水平井大规模套管多段、多簇体积压裂改造致密砂岩储层现场试验，刻画水力压裂裂缝形态与地层应力情况，为确定合理缝间距，优化压裂设计提供依据。此井压裂水平段测深为2025~2895m，垂深为1789.7~1794.2m，分11段23个射孔点。地面监测采用六臂星型阵列，布置66道，检波器地表埋深0.5米-1米，监测半径最远为770m。

正演时采用射线追踪方法，40Hz的雷克子波激发P波，波场为1ms采样率，采用扫描叠加算法进行震源定位。正演数据基础上，增加不同比例的实际地面噪音。

在震源定位之前，对增加不同噪音的数据进行去噪处理，采用的方法为带通滤波、随机噪音压制与异常振幅压制，在保证不伤害有效信号的同时最大限度的提高信噪比。

2.2三种观测系统对比

图1中左边是106道星型观测系统，中间是110道网格观测系统，右边是106道散点排列观测系统，它们具有相同的波场接收孔径，覆盖次数分别为72-82次，60-74次和55-69次。

图1 三种观测系统示意图与相应的正演数据

左边是星型；中间是网格型；右边是散点型

三种观测系统正演数据与50%的实际噪音合成数据均有肉眼可识别微地震事件信号，而当噪音为70%时，合成数据在去噪前无肉眼可识别微地震事件信号，在去噪后则可识别，如图2。

图2 三种观测系统70%噪音数据去噪前（上）后（下）效果

左边是星型；中间是网格型；右边是散点型

当噪音为85%去噪前后均不可识别如图3。

图3 星型85%噪音数据去噪前（左）后（右）结果

研究证明只要数据中的微地震事件信号肉眼可见，三种观测系统都能准确检测并定位微地震事件。因此用85%的噪音合成数据做研究对比。

三种观测系统正演数据采用相同的处理流程和参数，定位结果和相应的误差分析见如图------4。

图4 三种观测系统定位结果（左）与误差分析（右）

此处的误差是定位点与实际点的空间距离，左图是三种观测系统定位结果与实际事件射孔点在空间的相互位置关系，右图是定位结果的误差分析统计图，图中显示当噪音水平达到85%时，散点型观测系统只能定位20个点，并且误差整体都比较大，而星型和网格型观测系统能实现23个点的全部定位，误差相对较小。

星型和网格型观测系统定位误差相比，网格型虽然在部分点的误差小于星型，但在处于井轨迹远端的定位结果偏离实际射孔点较远，误差也显著大于星型定位结果。星型的平均误差为25.51米，略小于网格型的28.13米。

在实际地面微地震监测中，井口压裂设备产生的噪音是最主要的噪音，星型观测系统以井口为中心向外辐射多条测线能最大化检波器的偏移距，远离主要的噪音源和压制线性噪音。

其次，地面监测类似常规地震，需踏勘、清理和布设等工作，相比较而言，星型比网格型更具有适用性和灵活性。

2.3  星型排列接收道数对比

    研究用的模型和流程和上述观测系统类型对比研究相同。接收道数分别用了实际监测的66个，设计的106个和211个，覆盖次数分别能达到35-60次，77-82次和130-147次。三种接收道数分别按噪音比例为30%、50%、70%、85%、90%与正演数据合成测试数据。

如图5所示：

图5 三种接收道数对微地震事件的检测定位能力

当噪音从30%增加到70%时，都能检测和定位已知的23个震源点。

当噪音水平继续增加，66道接收的观测系统对微地震事件的检测定位能力急剧下降，当噪音到达90%，基本失去对微地震事件的检测定位能力，而106道和211道的观测系统在此噪音水平下还能检测定位部分微地震事件。

图6 星型106和211道在85%噪音水平下的定位误差图

图6是当噪音到达85%时，211道接收和106道接收对微地震事件定位误差的比较。在这种噪音水平下，虽然两种类型都能完全检测和定位23个已知震源点，106道的定位误差大于211道，平均误差为25.51米，211道平均误差为16.91米，但106道的定位精度误差仍可接受，可用于成像压裂裂缝的分布。

3结论及认识

基于实际水平井的压裂地面微地震资料和正演数据分析，主要结论如下：

（1）星型观测系统在微地震事件的检测定位能力和误差方面略优于网格型观测系统，散点排列型观测系统效果最差。

（2）地面微地震微震源定位能力受资料信噪比的影响大，增加接收道数即增加覆盖次数，有利于后续扫描叠加定位时提高信号信噪比，增强微地震事件的定位能力。

（3）根据不同噪音的数据的定位精度分析（可认为是经过噪声压制的不同数据），地面监测的弱信号去噪处理至关重要。相干扫描类处理方法可成功地对原始数据里弱信号不可见的微震事件进行定位成像。

基于本文研究，在实际地面微地震监测工作中最合理的做法是根据监测目的和成本，在压裂施工开始前做好噪音调查和观测系统及接收道数研究。从目前的分析得出，百道的星型排列观测方式可用于大庆探区地表条件和压裂规模。

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刘萝卜锅

本文是阿什卡公司与大庆油田合作项目总结，作者之一姚同云是阿什卡公司负责微地震压裂实时监测与压裂效果评估业务的技术经理。想勾搭他团队的，请和阿什卡的客户经理们联络，或跟帖留言。

西门吹雪

刘萝卜锅

西门吹雪 发表于 2017-8-2 15:19

谢谢