微地震监测中等效速度定位精度分析及应用

刁瑞，胡晓婷，崔庆辉，尚新民，芮拥军

（中国石化胜利油田分公司物探研究院，山东东营257022）

微地震监测中等效速度定位精度分析及应用

刁瑞，胡晓婷，崔庆辉，尚新民，芮拥军

（中国石化胜利油田分公司物探研究院，山东东营257022）

地面阵列式微地震监测的数据量大幅提升，导致现场处理效率降低。在阵列式微地震监测现场处理中，等效速度可以提高现场处理效率，但由于速度模型的误差会影响有效事件的定位精度。根据测井信息、射孔点坐标和实际观测系统坐标，建立了三维水平层状介质模型，利用射线追踪方法模拟阵列式微地震数据，通过定位精度分析验证了等效速度的可行性和实用性，并将等效速度应用到实际阵列式微地震资料的现场处理中。

水力压裂；地面阵列式微地震；等效速度；定位精度；现场处理

中国非常规油气资源十分丰富，但非常规油气勘探开发还处于初级阶段，特别是针对监测压裂效果的微地震技术的需求更加迫切。微地震监测技术主要有以下几方面的作用：1）微地震监测与压裂作业同步，实时确定微地震事件发生的位置，监测裂缝的产生，动态显示裂缝的三维空间展布，指导优化压裂方案；2）确定裂缝的高度、长度、倾角及方位，鉴别超出储层、产层的裂缝过度扩展造成的裂缝网络，监测压裂裂缝网络的覆盖范围；3）评价压裂作业效果，计算储层改造体积等[1-4]。

地面阵列式微地震监测的检波器数量大大增加，在提高微地震资料品质的同时，微地震资料数据量大幅增加，使得现场处理效率明显降低。为了实现微地震有效事件的实时定位，以及利用监测结果优化下一步的压裂方案等，必须提高千道地面阵列式微地震资料的现场处理效率。利用等效速度进行定位处理能够提高现场处理效率，但是等效速度是一个近似速度模型，在一定程度上会影响微地震有效事件的定位精度。

针对等效速度在微地震监测现场实时处理中的定位精度问题，首先通过测井信息建立三维分层速度模型；其次，通过射线追踪方法进行地震波传播路径追踪，计算地震波初至时间，得到正演模拟的微地震记录；再次，利用等效速度进行微地震有效事件的定位，分析定位结果与真实震源点位置的误差。通过正演模拟数据验证了等效速度在现场实时处理中是可行有效的，并将等效速度应用到实际微地震监测数据的现场实时处理中，取得了较好的应用效果。

1 地面阵列式微地震数据模拟

射线追踪方法就是根据地震波的传播规律来确定地震波在地层中的传播射线路径[5]。地震波在介质中传播遵循Snell定律，公式如下：

其中：a是入射角，b是出射角，vi是第i层的层速度，vi+1是第i+1层的层速度。试射法射线追踪方法的思路为：射线以给定的初始出射角从震源点出发，直至到达指定的接收点上，若射线终止位置不是接收点位置，则调整初始出射角重新计算，直至射线到达指定的接收点位置。试射法射线追踪方法适应于水平层状介质模型，具有很快的收敛速度，且计算精度高，能够满足水平层状介质模型正演的计算精度要求。当射线路径已知时，沿射线路径对时间进行积分，即可求取地震波的旅行时。

图1（a）是工区内一口井的测井速度信息，图1（b）是根据测井信息建立的三维分层速度模型。在确定三维分层速度模型和微地震地面观测系统后，选用第1、2和3个射孔点作为震源点，利用射线追踪方法正演模拟微地震数据。图2为第2个射孔点所对应的正演模拟微地震数据。

图1 测井速度信息和分层速度模型Fig.1Logging velocity information and layered velocity model

图2 正演模拟微地震数据Fig.2Micro-seismic data of forward modeling

2 模拟数据定位精度分析

2.1 等效速度求取

根据第2个射孔点的地面阵列式微地震正演数据，以及第2个射孔点和观测系统的大地坐标，通过叠加能量最大方法，计算该第2个射孔点所对应压裂段的等效速度。叠加能量最大方法的数学表达式为：

式中：Ej为所有地震道正常时差校正后的叠加能量；N为地震道总数，微地震观测系统地震道总数为N=1 000；Si(t)为第i道地震数据；Δti为第i道地震数据需要进行校正处理的正常时差；D1为射孔点到第1个检波器的距离；Di为射孔点到第i个检波器的距离；vj为等效速度。

利用叠加能量最大方法，等效速度vj在2 000 m/s至4 000 m/s范围内以1 m/s为步长进行最优等效速度搜索。当速度值为3 110 m/s时，正演模拟微地震数据的叠加能量Ej达到最大值，该速度能够最优的消除传播距离不同造成的时差。因此，第2个射孔点的微地震正演数据所对应的最优等效速度值为3 110 m/s。

2.2 等效速度定位精度分析

在求取相对准确的等效速度后，假设第2射孔点位置坐标未知，根据模拟微地震数据、地面观测系统坐标和最优等效速度，利用3种微地震有效事件定位方法进行定位[6-8]，这3种定位方法分别是：1）能量聚焦定位方法；2）初至拾取定位方法；3）叠加能量定位方法。通过对比定位结果与射孔点的真实位置，可以验证等效速度的可行性。

利用最优等效速度对基于分层速度模型的模拟数据进行有效事件定位，3种定位方法均取得了较好的定位结果，如图3和表1所示，空间距离误差在10～20 m左右。将定位距离误差与压裂段深度进行比值，误差比值在0.5%左右，验证了等效速度在微地震现场实时处理中是可行有效的。

图3 第2个射孔点不同定位方法的震源点定位结果Fig.3Seismic focus Positioning results of different positioning methods of the 2ndperforating point

表1 第2个射孔点不同定位方法的震源点定位结果对比Table 1Contrast of focus Positioning results of different positioning methods of the 2nd perforating point

能量聚焦方法的主要思路为：在速度场相对准确的情况下，阀值范围内能量聚焦最好的网格点就是微地震有效事件的位置。选用最优等效速度3 110 m/s对微地震有效事件进行定位，图4是模拟微地震有效事件的聚焦能量谱，能量团聚焦较好。能量聚焦方法不需要人工拾取初至信息，具有较高的处理效率和较好的稳定性，因此现场处理中采用能量聚焦方法进行定位处理。

图4 微地震有效事件的聚焦能量谱Fig.4Focus energy spectrum of effective microseismic events

2.3 等效速度误差对定位精度影响程度分析

准确的等效速度能够取得较好的定位结果，但是求取的等效速度往往存在不确定性误差，分析等效速度误差对定位精度的影响程度。分别采用不同的等效速度进行微地震有效事件定位，定位结果如图5和表2所示。在选取最优等效速度为3 110 m/s时，正演模拟微地震数据定位结果与实际震源点位置在X方向误差为10 m，Y方向误差为5 m，垂直方向误差为10 m，定位误差比例为0.4%，定位结果比较准确。在等效速度为3 100 m/s和3 150 m/s时，正演模拟微地震记录定位结果与实际震源点的X方向误差和Y方向误差不变，垂直方向误差由10 m增大为30 m。等效速度误差为1%左右时，定位误差由0.40%增大为0.85%，等效速度对定位结果的深度影响相对较大，特别是深度方向误差，因此，选定最优的等效速度是非常重要的。

图5 第2个射孔点不同等效速度的震源点定位结果Fig.5Seismic focus positioning results of different equivalent rate of the 2ndperforating point

表2 第2个射孔点不同等效速度的震源点定位结果对比Table 2Contrast of seismic focus positioning results of different equivalent rate of the 2nd perforating point

2.4 等效速度在压裂段范围内的适应性分析

压裂的影响范围一般在100～200 m，等效速度在整段压裂段的适应性需要进一步验证。假设第1个射孔点和第3个射孔点的模拟射孔数据为第2段压裂的有效事件，在此称为假定事件，这两个假定事件距离第2个射孔点的距离为100 m左右。为验证等效速度在压裂段范围内的适用性，将第2个射孔点的最优等效速度（3 110 m/s）应用到这两个假定事件的定位中。

第2段压裂微地震数据的定位结果如图6所示，从俯视图上看，水平方向误差很小，预测裂缝走向与真实裂缝走向情况基本一致，两个假定事件的定位误差控制在2%左右，基本能够满足现场实时定位需求。通过模拟微地震数据验证了等效速度在微地震压裂段数据定位中的可行性。

图6 第2段压裂模拟数据的定位结果Fig.6Fracturing analog data positioning results of the 2ndsegment

3 实际资料应用

利用等效速度对实际微地震压裂数据进行现场实时定位处理，Y-3井和Y-8井共有25段压裂，其中两口井的第6段压裂微地震有效事件定位结果如图7（a）所示。第6段压裂位置位于砂砾岩体的扇体前端，为扇中或扇缘，粒度相对细，前期抗压实能力强，后期经多期溶蚀作用改造，相对较易压裂，储层压裂改造效果较好。根据Y井的测井数据，利用像素成像技术进行裂缝预测，本区发育南北方向裂缝，主应力方向为东西方向，如图7（b）所示。从定位结果的俯视图上可以看出，现场定位结果基本符合该区地应力场走向。

4 结论

1）根据测井信息建立三维分层速度模型，利用射线追踪方法模拟地面阵列式微地震数据，基于等效速度的定位方法在提高现场实时处理效率的同时保证了相对较高的定位精度，能够实现压裂现场微地震有效事件的实时定位，有助于优化压裂方案。

2）将最优的等效速度应用到模拟微地震数据中，不同方法的定位结果与真实位置的误差相对较小，等效速度在现场实时处理中是可行有效的。当等效速度存在一定误差的时候，定位结果会受到不同程度的影响，不准确的等效速度对定位结果的深度影响较大，利用射孔数据进行速度校正是十分重要的。

图7 第6段压裂微地震监测结果和像素成像预测裂缝结果Fig.7Microseismic fracture monitoring results and pixel imaging predict fracture results of the 6thsegment

3）利用射孔微地震资料确定了最优等效速度后，在该段压裂范围都采用该最优等效速度进行微地震有效事件定位，监测裂缝走向与模型真实情况基本一致，能够满足现场实时处理定位精度的需求。当微地震有效事件的震源点距离射孔点较远时，定位结果的深度误差就相对较大。在时间允许的情况下，采用分层速度模型能够有效提高定位精度，或采用并行算法等能够进一步提高计算效率。

致谢：感谢胜利油田物探研究院微地震项目组的鼎力帮助，感谢国家863课题《陆上非一致性时延地震、微地震油藏监测方法研究》和中国石化攻关项目《微地震监测技术及处理系统开发》的大力支持。

[1]孙龙德，撒利明，董世泰.中国未来油气新领域与物探技术对策[J].石油地球物理勘探，2013，48（2）：317-324.

[2]吕世超，郭晓中，贾立坤.水力压裂井中微地震监测资料处理与解释[J].油气藏评价与开发，2013，3（6）：38-42.

[3]朱卫星，宋洪亮，曹自强，等.自适应极化滤波在微地震信号处理中的应用[J].勘探地球物理进展，2010，33（5）：367-371.

[4]王正蕾.基于小波变换的微地震信号检测方法研究[J].勘探地球物理进展，2009，32（3）：182-185.

[5]宋维琪，刘军，陈伟.改进射线追踪算法的微震源反演[J].物探与化探，2008，30（3）：274-278.

[6]Ulrich Zimmer.Location of microseismic event using head waves and direct waves[J].80th SEG Denver 2010 Annual Meeting, 2010:2196-2200.

[7]宋维琪，杨晓东.解域约束下的微地震事件网格搜索法、遗传算法联合反演[J].石油地球物理勘探，2011，46（2）：259-266.

[8]段银鹿，李倩，姚韦萍.水力压裂微地震裂缝监测技术及其应用[J].断块油气田，2013，20（5）：644-648.

（编辑：尹淑容）

Precision analysis and application of equivalent velocity in micro-seismic monitor

Diao Rui,Hu Xiaoting,Cui Qinghui,Shang Xinmin and Rui Yongjun
（Geophysical Research Institute of Shengli Oilfield Branch,SINOPEC,Dongying,Shandong 257000,China）

The micro-seismic data of thousands detectors were increased significantly.In order to realize real-time location of mi⁃cro-seismic events and optimize hydraulic fracturing plan,equivalent velocity was used in field processing.But the error rate of ve⁃locity model affected the positioning accuracy of the model effective event.Based on the logging information,the perforating point coordinates and the actual coordinates of the observation system,3D flat layer model was built.And array micro seismic data were simulated by ray tracing method.Meanwhile,feasibility and practicality of equivalent velocity were tested and verified by location accuracy for the application in field processing of actual array micro seismic data.

hydraulic fracturing,surface array micro-seismic,equivalent velocity,location accuracy,field processing

P631

A

2014-10-08。

刁瑞（1985—），男，工程师，从事地球物理方法研究和地震资料处理工作。

国家高技术研究发展计划（863）项目（2011AA060303）和中国石化股份公司科技攻关项目（P13078）联合资助。