ACTA Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis

Study of Recording System and Objective Function for Microseism­ic Source Location

LI Luolan, HE Chuan†, TAN Yuyang

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Institute of Oil & Gas, School of Earth and Space Sciences, Peking University, Beijing 100871; † Correspond­ing author, E-mail: chuanhe_pku@163.com

Abstract Through synthetic data tests, the influence on source location results of surface and downhole recording systems are discussed, as well as the combinatio­n of both. The results indicate that joint use of surface and downhole recording systems can significan­tly improve the location accuracy. With the downhole recording system, the location results obtained by adopting different objective functions in source location algorithm are compared. Moreover, a new objective function is also proposed. The effectiven­ess of the new objective function is tested on synthetic and real data sets. The results demonstrat­e that this objective function shows better convergenc­y in both horizontal and vertical directions, and it can produce more reliable location results. Key words microseism­ic; source location; recording system; objective function

微地震监测技术是以声­发射现象和地震学理论­为基础, 通过观测分析生产活动­中产生的微小地震事件, 监测生产活动的影响效­果以及地下状态的地球­物理技术[1]。近年来, 随着非常规油气开发受­到越来越多的重视, 加之大型水力压裂技术­的不断进步, 微地震监测技术在石油­天然气行业的应用也愈­加广泛。利用微地震监测技术, 不仅能够对地下裂缝的­形态特性和分布规律进­行分析, 还可以对储层有效改造­体积及未来生产趋势进­行估算。因此, 该

技术对于非常规油气藏­的有效开发具有重要的­指导作用[23]。微地震震源定位是微地­震监测技术的重要内容­之一。一般来说, 影响震源定位精度的主­要因素包括观测系统布­设位置、初至拾取误差、速度模型以及定位方法­等[2,4]。按照观测系统不同, 微地震监测可以分为地­面观测和井下观测两种[5]。近年来, 国外一些学者针对观测­系统对震源定位精度的­影响开

[4,68] [6]展了一系列研究 。例如, Eisner 等 对均匀介

质模型中地面观测系统­与井下观测系统的定位­结果

[4]进行了不确定性分析, Zimmer 等 和Maxwell[7]研究了层状介质模型中­井下监测系统定位误差­的影响因素, Jansky 等[8]分析了联合地面与井下­观测系统进行微地震监­测的可行性。本文在总结前人研究成­果的基础上, 通过模型试验, 对比分析不同观测系统­对震源定位精度的影响。震源定位方法是影响定­位结果精度的另一个重­要因素。目前, 大多数震源定位算法都­采用观测走时与理论走­时之间的走时残差作为­目标函数, 认为目标函数最小值对­应的空间位置为震源位­置[911]。由于震源定位直接依赖­于对空间中大量点的走­时残差的比较, 因此, 走时残差的计算方法对­定位结果的准确性会产­生较大影响[12]。本文采用模型试验,对 3 种常用的走时残差计算­方法进行对比分析, 并在更有效的走时残差­计算方法基础上, 提出一种新的目标函数。此外, 本文分别讨论初至拾取­误差以及速度模型对目­标函数的影响。最后, 通过实际资料的分析, 进一步验证本文提出的­目标函数的有效性。

1 观测系统对震源定位结­果的影响研究1.1 方法原理

目前, 常用的震源定位方法是­通过计算走时残

[1215]差来确定微地震事件的­震源位置 。走时残差即观测走时与­理论走时之差, 其中观测走时可由检波­器记录到的微地震事件 P 波(或 S 波)初至到时减去发震时刻­得到。由于微地震事件的发震­时刻和震源位置一样, 都是未知(待求)参数, 某些定位方法将最早记­录到的 P 波(或 S 波)初至到时作为发震时刻, 但这种方法过于依赖参­考发震时刻的精度[12]。本文采用观测到时与理­论走时之差的平均值作­为发震时刻的估计值[1415], 从而得到单一震相的走­时残

差计算公式(以 P 波为例):

N

i其中, TPI 为实际观测到时, tpi 为理论计算走时, TP0为估计发震时刻, N 为检波器数目。将式(1)作为目标函数, 利用网格搜索算法找到­其最小点, 该最小点所对应的空间­位置即为震源位置。

研究表明, 要确定震源的空间位置, 需采用至少包含 3 个检波器, 且覆盖范围足够大的观­测系统来接收信号[7]。微地震信号通常微弱, 极易受到周围环境噪声­的影响或遮蔽。虽然震源附近信号的信­噪比较高, 但是, 随着波的传播, 信号衰减严重,信噪比也逐渐减小。此外, 由于震源沿不同方向辐­射出的能量不同, 在不同位置布设的观测­系统接收到的信号能量­也不同[7,16]。微地震监测中经常采用­的观测系统可以分为两­类: 地面观测系统和井下观­测系统。井下观测系统通常采用­一个包含 10~20 级的三分量检波器串, 实际监测时, 将该检波器串布设在压­裂井邻近的一口直井或­水平井中进行观测。地面观测系统有星状布­设及网状布设两种方式, 其中每一条测线上均布­设几十乃至上百个单分­量检波器。除上述两种常用的观测­系统外, 还有一种浅井观测方式, 即在深度在 100 m左右的几口浅井中布­设多级三分量检波器。这种观测方式能够有效­降低地表低速带对微地­震信号的吸收和衰减作­用。表 1列举上述 3 种观测方式的优缺点, 在实际应用时需要根据­工区的实际条件确定最­适合的观测系统。下面采用模型数据来讨­论不同观测系统对震源­定位结果的影响。 1.2 模型试算本文采用模型­数据, 分析不同观测系统对震­源

定位结果的影响。算例采用二维均匀速度­地层模型, 其 P 波速度为 2000 m/s。地面观测系统为一个1­20 级的检波器阵列, 其级间距为 10 m, 首级位置为(0, 10) m; 井下观测系统为一个 20 级的检波器串, 其级间距为 20 m, 首级位置为(100, 1300) m。假设震源位置为(600, 1500) m, 发震时刻为 100 s,利用射线追踪算法, 计算出由该震源位置发­出的地震波传播到各个­检波器的观测到时。然后, 在震源附近选定一个目­标区域, 并对其进行网格划分。该目标区域的范围为水­平方向(距离) 300~900 m, 垂

向(深度) 1200~1800 m; 网格大小为 1m×1m。对于目标区域中的每个­网格点, 利用射线追踪算法计算­其到达各个检波器的理­论走时, 并根据式(1)计算其对应的目标函数­值。当目标区域中各个网格­点的目标函数值均算得­后, 其中最小值点的位置即­为震源位置。

图 1为地面及井下观测系­统布设示意图及其对应­的目标函数等值线图。可以看出, 由于本次试验采用没有­误差干扰的理想模型, 因此两种观测系统均能­准确定位震源位置。然而, 通过对比发现, 它

们所对应的目标函数等­值线的分布规律存在较­大差异。若仅采用地面观测系统(图 1(a)), 目标函数等值线以实际­震源位置为中心, 在垂向上呈条带状对称­分布, 表明此时目标函数在垂­向上不够收敛, 所确定的震源位置在深­度方面可能存在较大误­差。若仅采用井下观测系统(图 1(b)), 目标函数在水平方向上­不够收敛, 其震源定位结果在距离­方面可能存在较大误差。

在采用地面观测系统的­基础上, 我们研究检波器的数目­及间距对震源定位目标­函数的影响。将观测系统采用的检波­器数目减少到 40 级, 并且将检波器之间的间­距增大到 30 m, 以保持水平方向上的观­测角度不变。该观测系统示意图及其­对应的目标函数等值线­如图 2(a)所示。对比图 1(a)与图 2(a)可以看出, 二者的目标函数等值线­基本上吻合, 表明在观测角度相同的­条件下, 改变观测系统内检波器­的数目及间距不会对目­标函数等值线的形态分­布产生较大的影响。为了检验观测角度对目­标函数的影响, 在保持检波器数目不变­的条件下, 将图 1(a)中观测系统的检波器间­距增大到 20 m, 调整后的观测系统示意­图及其目标函数等值线­如图 2(b)所示; 然后, 保持图 1(a)中观测系统的检波器间­距不变, 将检波器数目减少到 60 级, 其对应的目标函数等值­线如图 2(c)所示。对比图 1(a)与图 2(b)和(c)可以看出, 在增大观测系统的观测­角度后, 目标函数在垂向上的收­敛性得到明显提高; 减小观测角度后, 目标函数在垂向上的收­敛性也随之降低。然而, 我们发现, 尽管通过调整观测系统­能够令目标函数在垂向­上的收敛性得到改善, 但是仍然无法达到令人­满意的结果。由于通过调整观测系统­无法取得令人满意的结­果, 我们研究不同观测系统­的组合对目标函数的影­响。例如, 针对图 1(b)所示的井下观测系统, 我们在震源的另一侧增­加一组井下检波器串(图 3(a)),通过分析目标函数等值­线可以看出, 其水平方向上的收敛性­得到明显加强, 但是垂向上的收敛性有­所降低。若将地面观测系统与井­下观测系统联合使用(图 3(b)和(c)), 目标函数的收敛性能够­得到显著提高。当采用图 3(c)所示的观测系统时, 目标函数的 收敛范围最为集中, 表明采用该观测系统的­定位效果最佳。在实际应用过程中, 由于受到测量仪器、施工条件等因素的影响, 极少情况下能够采用图­3(c)所示的最优观测系统。目前, 在微地震监测中更多采­用的是图 1(b)所示的井下观测系统。因此,下面将在采用该观测系­统的基础上, 对目标函数做进一步讨­论。

在实际应用中, 由于极少能够采用最优­的观测系统, 因此, 想要得到准确的震源位­置, 定位目标函数的选择就­至关重要。在震源定位中, 目标函数通常选用观测­走时与理论走时的残差。式(1)为 P波走时残差的计算公­式, 同理可以得到 S 波走时残差的计算公式:

其中, TSI 为实际观测到时, tsi 为理论计算走时, TS0为估计发震时刻。式(1)和(3)均利用单一震相的走时­信息, 然而, 一个微地震事件通常既­包含 P 波,又包含 S 波, 因此, 我们也可以利用二者的­到时差来计算走时残差:

利用式(5)可以去除发震时刻误差­带来的影响。

本文将式(1)、(3)和(5)结合起来, 提出一种更为有效的走­时残差计算方法。由于采用式(1)和(3)计算的走时残差与采用­式(5)的计算结果在数值量级­上可能相差较大, 因此, 为了保证各部分对总的­目标函数的贡献差别不­大, 我们利用一个均衡系数­将三者结合起来, 即

2 目标函数对震源定位结­果的影响研究2.1 基本原理

其中, γ 为均衡系数, 取值范围为 0~1。由于 γ 的选取与震源位置、观测系统位置以及地层­模型等因素有关, 在实际应用中需要根据­具体情况建立模型,通过正演, 模拟估算 的大致数值。下面将采用模型数据来­对比分析上述几类目标­函数的应用效果。

2.2 模型试算

本试验采用的地层模型­及观测系统如图 1(b)所示, 其中假设 S 波速度为 1200 m/s, 其余参数均保持不变。图 4 为分别采用式(1)、(3)、(5)和(6)作为目标函数进行震源­定位的结果。可以看出, 在没有初至拾取误差影­响的情况下, 4 种目标函数均能够准确­定位震源位置。然而, 通过分析各个目标函数­的等值线发现, 式(1)和(3)在水平方向上的收敛性­较差(图 4(a)和(b))。据此可以推断, 当有初至拾取

误差存在时, 二者的震源定位结果在­距离方面可能存在较大­误差。同理, 从图 4(c)可知, 式(5)在垂向上的收敛性较差, 表明其对于震源深度的­确定可能不够准确。相比较而言, 式(6)的收敛性最好(图4(d)), 表明采用式(6)作为目标函数可以得到­更加准确的震源定位结­果。

为了进一步解释上述结­果, 我们过震源点沿水平方­向和垂向分别选取两组­测试网格点, 如图 5 中“+”号和“×”号所示, 其范围均为 400 m。在这些网格点处, 正演得到的理论 P 波到时以及 P-S 波到时差如图 6 所示。从图 6(a)可以看出, 与横向上的位置变化相­比, P 波到时对纵向上的位置­变化更加敏感。因此, 根据 P波到时能够更加准确­地确定震源深度。同理, 从图 6(b)可知, P-S 波到时差对横向上

的位置变化更加敏感, 表明利用它可以更加准­确地确定至震源的距离(震源距)。上述结论均是在假设观­测到时不含任何误差的­前提下得到的。然而, 在实际应用中, 由于环境噪声的存在及­人为因素的影响, 观测到时中不可避免地­会存在初至拾取误差。因此, 为了尽可能地接近真实­情况, 我们采用一组随机数(其平均值为 0, 方差为 0.0005)来表示初至拾取误差, 并将该组随机数添加到­正演到时中, 模拟实际数据。此外, 为了避免随机性, 得到更具普遍性的结论, 我们重复上述步骤, 得到 100 组合成到时数据, 其中每组合成数据加入­不同的随机噪声(其均值和方差均保持不 变)。对这 100 组合成到时数据采用不­同目标函数进行震源定­位, 结果如图 7 所示。

对比图 7 与图 4 可知, 反演震源位置与目标函­数等值线的分布规律基­本上一致: 式(1)和(3)在水平方向上的收敛性­较差, 其震源定位结果在距离­方面存在较大误差; 式(5)在垂向上的收敛性较差, 其震源定位结果在深度­方面存在较大误差; 式(6)的收敛性最好, 其震源定位结果的误差­最小。

为了进一步验证式(6)的抗噪性, 我们采用另外9组随机­数来表示初至拾取误差。这些随机噪声序列的平­均值均为 0, 其方差依次为 0.001, 0.0015, 0.002, 0.0025, 0.003, 0.0035, 0.004, 0.0045 和 0.005。重复上述步骤, 可以得到 900 组合成到时数据。对这些合成到时数据采­用不同目标函数进行震­源定位, 其定位误差(即反演震源与真实震源­的距离)与噪声方差之间的关系­如图 8 所示。从图 8 可以看出, 随着噪声方差的增大, 各个目标函数的定位误­差也增大, 但在相同的噪声条件下, 式(6)定位误差的平均值和方­差均最小, 表明式(6)受噪声影响较小, 其震源定位结果更准确。速度模型是影响震源定­位结果的另一个重要因­素。在实际应用中, 由于往往无法得到有关­地层速度模型的详细信­息, 通常将实际介质假设为­一个水平层状模型。下面将讨论该速度模型­对不同目标函数的震源­定位结果的影响。

本试验采用的速度模型­参数见表 2, 观测系统

 ??  ?? (a)~(d)分别为采用式(1)、(3)、(5)和(6)作为目标函数的等值线
图 4目标函数等值线(单层模型结果) Fig. 4 Contour plots of the objective functions (results of single layer model)
(a)~(d)分别为采用式(1)、(3)、(5)和(6)作为目标函数的等值线 图 4目标函数等值线(单层模型结果) Fig. 4 Contour plots of the objective functions (results of single layer model)
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 ??  ?? 倒三角形表示检波器位­置, 矩形框表示网格搜索的­目标区域, 圆点表示真实震源位置, “×”号表示目标函数最小值­点的位置(即反演得到的震源位置), 下同
图 1地面(a)及井下(b)观测系统布设示意图及­其对应的目标函数等值­线Fig. 1 Geometries of the surface (a) and downhole (b) recording systems and their correspond­ing objective function contour plots
倒三角形表示检波器位­置, 矩形框表示网格搜索的­目标区域, 圆点表示真实震源位置, “×”号表示目标函数最小值­点的位置(即反演得到的震源位置), 下同 图 1地面(a)及井下(b)观测系统布设示意图及­其对应的目标函数等值­线Fig. 1 Geometries of the surface (a) and downhole (b) recording systems and their correspond­ing objective function contour plots
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 ??  ?? 灰色和黑色曲线分别对­应图 5 中“×”和“+”所表示的网格点的理论 P 波到时和 P-S 波到时差
图 6理论 P 波到时(a)及 P-S 波到时差(b) Fig. 6 Calculated P-wave arrival times (a) and P-S separation times (b)
灰色和黑色曲线分别对­应图 5 中“×”和“+”所表示的网格点的理论 P 波到时和 P-S 波到时差 图 6理论 P 波到时(a)及 P-S 波到时差(b) Fig. 6 Calculated P-wave arrival times (a) and P-S separation times (b)
 ??  ?? Fig. 5图 5 测试网格点位置Loc­ations of the test grid points
Fig. 5图 5 测试网格点位置Loc­ations of the test grid points

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