技术领域
[0001] 本
发明涉及石油开采领域，尤其涉及一种水力压裂微地震震源机制的反演方法及系统。
背景技术
[0002] 水力压裂是一种用水压将
岩石层压裂，从而释放出其中的
天然气或石油的方法，广泛应用于石油开采领域，特别是低渗透油藏等非常规资源的开发中。微地震监测技术主要是通过监测水力压裂过程中产生的微震
信号，对压裂过程进行监测，对压裂效果进行评价，进而指导优化工程参数的一项技术，在微地震监测技术方面，国外发展的比较早并且技术比较成熟。
[0003] 美国微地震公司(MSI)提出了水力压裂裂缝成像技术(HFM)，用于裂解裂缝尺寸、几何形状以及其复杂性，为改善钻井和完井提供参考。这其中就包括以震源
定位、震源机制反演、裂缝几何尺寸计算以及有效压裂体积(SRV)计算为代表的一套微地震资料处理解释技术方法。Global公司的TFI技术同样提供震源机制的反演，包括复杂裂缝和
应力场的反演，通过矩张量分解对裂缝的性质进行描述，计算微地震事件的标量
地震矩，用于估计微地震事件大小。布拉格的Charles大学研究了微地
震中普遍存在的张剪型裂缝震源机制，通过P波和S波的初动记性及P、S波振幅比，有效识别张裂型裂缝。参照国外先进的理论和技术方法。
[0004] 国内许多油田也引入和开发了微地震监测技术，为油田解决了一些亟待解决的问题。东方地球物理勘探公司依靠多年沉淀的VSP技术，剖析微地震井中监测原理，针对微地震事件识别、自动筛选、偏振分析、事件定位等一系列关键技术进行攻关。该技术在吉林、吐哈、长庆、西南等油气田的水力压裂过程监测及压裂效果评价中都取得了比较好的应用效果。但是，在国内的整个油气勘探与开发领域，水力压裂裂缝震源机制反演的相关方法研究尚处于起步阶段，也缺少成功的应用实例。
[0005] 综上，亟需一种易于实施的对水力压裂地面微地震监测资料进行处理的方法，以推动理论的应用和促进该领域的发展。
发明内容
[0006] 本发明所要解决的技术问题之一是需要提供一种易于实施的对水力压裂地面微地震监测资料进行处理的方法。
[0007] 为了解决上述技术问题，本发明提供了一种水力压裂微地震震源机制的反演方法，包括以下步骤：P波振幅曲线的拾取步骤，分别截取各道
检波器监测到的水力压裂微地震事件的初至P波
波形，并从所述各初至P波波形上分别提取最大绝对振幅对应的振幅值，由所提取到的振幅值组成P波振幅曲线；P波振幅曲线的校正步骤，利用振幅校正因子对所述P波振幅曲线进行校正；P波振幅曲线的平滑处理步骤，采用中值滤波
算法对所述P波振幅曲线进行平滑处理；
断层节面解的反演提取步骤，以经过校正和平滑处理后的P波振幅曲线作为输入来选取目标函数，采用格点搜索的方法在参数空间中对断层的三个参数进行搜索，将目标函数取最大值时的三个参数提取为断层节面解。
[0008] 在一个
实施例中，振幅校正因子根据以下方法得到：根据前期定位处理的定位结果和由
声波时差
测井数据得到的水平层状速度模型建立
地层模型，并基于所述地层模型，利用射线射线追踪算法和Zoeppritz方程计算所述振幅校正因子。
[0009] 在一个实施例中，根据以下表达式计算所述振幅校正因子F：
[0010]
[0011] 式中，n为速度层数，li为利用射线追踪算法计算得到的
地震波在第i层介质中的传播路径长度；Tpp(αi)为通过Zoeppritz方程计算得到的第i层介质中透射
角为αi时对应的透射系数。
[0012] 在一个实施例中，根据以下表达式对所述P波振幅曲线进行平滑处理：
[0013] g(x)＝med{f(x-k),(k∈W)}
[0014] 式中，f(x)为拾取的或经过校正的P波振幅曲线，g(x)为滤波后得到的P波振幅曲线，W为一维
模版，W的长度为中值滤波算子的长度。
[0015] 在一个实施例中，将拾取到的P波振幅曲线与理论P波振幅曲线的相关系数R选取为所述目标函数，根据以下表达式计算：
[0016]
[0017] 式中，n为观测道数；xi和 分别为从第i道检波器记录中拾取并经过校正和平滑处理之后的P波振幅曲线及其平均值；yi和 分别为第i道检波器处的理论P波振幅曲线及其平均值。
[0018] 另一方面，还提供了一种水力压裂微地震震源机制的反演系统，包括以下模
块：P波振幅曲线的拾取模块，其分别截取各道检波器监测到的水力压裂微地震事件的初至P波波形，并从所述各初至P波波形上分别提取最大绝对振幅对应的振幅值，由所提取到的振幅值组成P波振幅曲线；P波振幅曲线的校正模块，其利用振幅校正因子对所述P波振幅曲线进行校正；P波振幅曲线的平滑处理模块，其采用中值滤波算法对所述P波振幅曲线进行平滑处理；断层节面解的反演提取模块，其以经过校正和平滑处理后的P波振幅曲线作为输入来选取目标函数，采用格点搜索的方法在参数空间中对断层的三个参数进行搜索，将目标函数取最大值时的三个参数提取为断层节面解。
[0019] 在一个实施例中，P波振幅曲线的校正模块根据以下方法得到振幅校正因子：根据前期定位处理的定位结果和由声波时差测井数据得到的水平层状速度模型建立地层模型，并基于所述地层模型，利用射线射线追踪算法和Zoeppritz方程计算所述振幅校正因子。
[0020] 在一个实施例中，P波振幅曲线的校正模块根据以下表达式计算振幅校正因子F：
[0021]
[0022] 式中，n为速度层数，li为利用射线追踪算法计算得到的地震波在第i层介质中的传播路径长度；Tpp(αi)为通过Zoeppritz方程计算得到的第i层介质中透射角为αi时对应的透射系数。
[0023] 在一个实施例中，P波振幅曲线的平滑处理模块根据以下表达式对所述P波振幅曲线进行平滑处理：
[0024] g(x)＝med{f(x-k),(k∈W)}
[0025] 式中，f(x)为拾取的或经过校正的P波振幅曲线，g(x)为滤波后得到的P波振幅曲线，W为一维模版，W的长度为中值滤波算子的长度。
[0026] 在一个实施例中，断层节面解的反演提取模块将拾取到的P波振幅曲线与理论P波振幅曲线的相关系数R选取为所述目标函数，根据以下表达式计算：
[0027]
[0028] 式中，n为观测道数；xi和 分别为从第i道检波器记录中拾取并经过校正和平滑处理之后的P波振幅曲线及其平均值；yi和 分别为第i道检波器处的理论P波振幅曲线及其平均值。
[0029] 与
现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：
[0030] 本发明通过建立振幅校正因子和中值滤波算子，对拾取到的P波振幅曲线进行处理，并通过使用格点搜索算法反演压裂裂缝震源机制。该方法稳定、高效，对水力压裂地面微地震监测资料处理技术的发展有一定的促进作用。
[0031] 本发明的其它特征和优点将在随后的
说明书中阐述，并且部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、
权利要求书以及
附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
[0032] 附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
[0033] 图1是根据本发明第一实施例的水力压裂微地震震源机制的反演方法的
流程图；
[0034] 图2是剪切震源P波
辐射花样曲线示意图；
[0035] 图3是地震波传播射线路径与透射角示意图；
[0036] 图4是断层空间取向参数示意图；
[0037] 图5是地面微地震监测记录图；
[0038] 图6是P波振幅相对大小的实际值与理论值的结果对比图；
[0039] 图7是根据本发明第二实施例的水力压裂微地震震源机制的反演系统的结构示意图。
具体实施方式
[0040] 以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
[0041] 第一实施例
[0042] 图1是根据本发明第一实施例的水力压裂微地震震源机制的反演方法的流程图。下面参考图1来详细说明本方法的各个步骤。
[0043] 步骤S110、P波振幅曲线的拾取步骤，分别截取各道检波器监测到的水力压裂微地震事件的初至P波波形，并从所述各初至P波波形上分别提取最大绝对振幅对应的振幅值，由所提取到的振幅值组成P波振幅曲线。
[0044] 对于一个纯剪切震源，其向以震源为中心的各个方向辐射出的P波振幅大小和极性是不同的。因此，基于上述P波的性质，可以利用水力压裂地面微地震监测资料中的P波振幅信息来反演压裂裂缝的震源机制。
[0045] 如图2所示的剪切震源P波辐射花样的示意图，P波振幅曲线又可以称为P波辐射花样曲线，图中辐射花样曲线的中心，即震源，与辐射花样上任意一点的连线的长度可以表征震源在该连线方向上的辐射的
能量的大小。实际中，通过在地面上布置检波器对一定的辐射方向上的微地震数据进行记录。
[0046] 进一步的，根据微地震数据对P波振幅曲线进行提取时，以P波波形的最大绝对振幅值来表征压裂裂缝震源在该道方向上辐射的P波能量的大小。同时需要指出的是，为了保证拾取的P波波形的最大绝对振幅值能够真实反映震源辐射能量的相对大小，在前期对微地震资料进行处理时必须采用相对保幅的处理技术。
[0047] 图5所示的是从某区域的一口压裂井的地面微地震监测数据中选取的一段微地震监测记录。从图中可以看出，该段微地震记录的记录时间长度为600毫秒，其中包含了一个微地震事件的初至P波同相轴，位于300毫秒处，从该同相轴上拾取每道(即每个检波器)的初至P波波形的最大绝对振幅(波峰或波谷)对应的振幅值，并对拾取到的振幅值进行归一化处理，得到能够真实反映震源辐射能量的相对大小P波振幅曲线。
[0048] 一般情况下，在水力压裂地面微地震监测中，由于各个观测点相对于震源(压裂裂缝)的方位及偏移距存在差别，所以受震源以及地震波的传播效应和地层效应的影响，不同检波器记录到的初至P波波形是不同的。所以，接下来将对拾取到的P波振幅曲线进行进一步的处理，以消除传播效应和地层效应的影响，使所拾取的曲线能够更好的反映震源的情况。
[0049] 步骤S120、P波振幅曲线的校正步骤，利用振幅校正因子对所述P波振幅曲线进行校正。
[0050] 受地震波传播过程中的几何扩散效应和层状地层AVO效应的影响，地下震源(压裂裂缝)辐射出的P波传播到地面并被检波器记录到的振幅并不能真实反映震源能量的相对大小。为了准确恢复震源的P波辐射花样曲线，必须对通过检波器提取到的P波振幅曲线进行校正。
[0051] 具体的，首先根据前期定位处理的定位结果和由声波时差测井数据得到的水平层状速度模型建立地层模型，并基于所述地层模型，利用射线追踪算法得到地震波的传播射线路径与透射角，如图3所示。
[0052] 在图3中，根据由声波时差测井数据得到的水平层状速度模型得到了一个三层水平层状的地层模型，再根据定位处理的结果，得到震源的
位置，结合在地面上设置的检波器的位置，在包含震源点和检波点的与地层模型的水平面相垂直的平面中，根据射线追踪计算传播路径，具体的，l1、l2及l3表示的是地震波在不同介质中的传播路径的长度，α1、α2及α3表示的是地震波在不同介质的界面处的透射角度。
[0053] 然后根据表达式(1)计算振幅校正因子：
[0054]
[0055] 式中，F为振幅校正因子，n为速度层数，li为地震波在第i层介质中的传播路径长度，利用射线追踪算法计算得到；Tpp(αi)为第i层介质中透射角为αi时对应的透射系数，透射系数可以通过Zoeppritz方程或其近似公式计算得到。
[0056] 分别计算各道对应的振幅校正因子，并将由表达式(1)得到的振幅校正因子与P波振幅曲线相乘，即可以实现对P波振幅曲线的校正，消除传播效应和地层效应对初至P波振幅曲线的影响。
[0057] 步骤S130、P波振幅曲线的平滑处理步骤，采用中值滤波算法对所述P波振幅曲线进行平滑处理。
[0058] 受近地表环境噪音以及拾取
精度的影响，从微地震记录中提取的P波振幅曲线存在跳跃和剧变现象，为了消除这种现象对反演结果
稳定性的影响，需要对振幅曲线进行平滑处理。具体的，采用中值滤波算法对P波振幅曲线进行处理。
[0059] 中值滤波算法的基本原理是，将数字序列中一点的值用该点的一个邻域中各点值的中值代替，使其周围的值更接近真实值，以达到平滑的效果。一维中值滤波算法如表达式(2)所示：
[0060] g(x)＝med{f(x-k),(k∈W)} (2)
[0061] 式中，f(x)为拾取的或经过校正的P波振幅曲线，g(x)为滤波后得到的P波振幅曲线，W为一维模版，W的长度为中值滤波算子的长度。
[0062] 步骤S140、断层节面解的反演提取步骤，以经过校正和平滑处理后的P波振幅曲线作为输入来选取目标函数，采用格点搜索的方法在参数空间中对断层的三个参数进行搜索，将目标函数取最大值时的三个参数提取为断层节面的解。
[0063] 震源机制反演方法的目标是通过反演得到压裂裂缝的破裂方式的信息，即提取断层节面的三个空间参数，即方位角φ、倾角δ以及滑动角λ，具体如图4所示。
[0064] 图4是断层空间取向参数示意图。在图4中，从正北方向(即图中N所指的方向)顺
时针转到断层面与水平面交线的方向形成的夹角为方位角φ；断层面与水平面的夹角为倾角δ；在断层面上，从滑动方向(上盘相对于下盘的运动方向)顺时针转到断层面与水平面交线的方向形成的夹角为滑动角λ。
[0065] 具体的，以微地震记录中拾取并经过振幅校正以及中值滤波处理之后的P波振幅曲线作为输入，将目标函数选取为拾取的P波振幅曲线与理论P波振幅曲线的相关系数，如表达式(3)所示：
[0066]
[0067] 式中，n为观测道数；xi和 分别为从第i道检波器记录中拾取并经过校正和平滑处理之后的P波振幅曲线及其平均值；yi和 分别为第i道检波器处的理论P波振幅曲线及其平均值。
[0068] 接下来采用格点搜索的方法(许忠淮，1983)，对断层的三个空间参数，方位角φ、倾角δ以及滑动角λ，进行全空间搜索，对目标函数进行计算，并将最大相关系数对应的解作为反演结果输出，从而得到对应的断层节面解(断层面和辅助面)。其中，全空间所指的范围是：方位角φ的取值范围为0°～360°，倾角δ的取值范围为0°～90°，滑动角λ的取值范围为-180°～180°。
[0069] 本发明利用常规地震资料或测井记录得到的地层速度模型，结合微地震事件的定位结果，通过射线追踪技术计算振幅校正因子，消除传播效应和地层效应对所拾取的P波振幅曲线的影响。利用中值滤波算法对校正后的P波振幅曲线进行平滑处理，消除振幅跳跃和剧变，有利于提高反演结果的稳定性。利用格点搜索的方法，通过计算拾取的P波振幅曲线与理论P波振幅曲线之间的残差，进一步反演得到断层节面解。
[0070] 接下来利用本实施例的方法步骤对图5所示的某区域的微地震事件进行操作，以验证上述方法的效果。通过反演该微地震事件的震源机制解，得到了如图5所示的该区域的微地震事件的断层节面解为：节面1，方位角＝7.4°，倾角＝69.0°，滑动角＝93.2°；节面2，方位角＝178.5°，倾角＝21.2°，滑动角＝81.7°。实际值与理论值之间的对比如图6所示。
[0071] 图6是从实际资料中提取的P波振幅相对大小与通过反演结果进一步计算得到的理论P波振幅相对大小之间的对比图。在图6中，横轴表示的是检波器的道数，可以看出共布置有1250道检波器。纵轴表示的是振幅的相对大小，相对大小指的是对所有道提取的“最大绝对振幅对应的振幅值”进行归一化之后的振幅大小。通过振幅相对大小的实际值和理论值的拟合程度验证本反演方法的可靠性。
[0072] 具体的，图6中实线曲线表示的是实际数据，即实际P波振幅的相对大小。通过在地面布置的检波器监测到的微地震记录中提取得到P波波形，然后经过振幅校正因子校正和平滑处理之后即可得到图6中的实线所示“P波振幅曲线”(或者也可以叫做“辐射花样曲线”)。图6中虚线曲线表示的是理论数据，根据以下方式得到。首先按照第一实施例中的方法步骤反演得到断层界面的解，根据断层的节面解即六个角度，可以得到该断层震源的辐射花样曲线，辐射花样曲线的定义为以震源所在位置为中心，震源沿各个方面辐射出的能量的相对大小。再根据每个检波器所在位置相对于震源位置的方位，可以计算出理论上该检波器记录到的P波能量的相对大小，即理论P波振幅的相对大小。所有道的理论振幅组成了图6中虚线所示的“理论P波振幅曲线”(或“理论辐射花样曲线”)。
[0073] 通过图6的对比结果可以看出，从实际资料中提取的P波振幅相对大小与通过反演结果进一步计算得到的理论P波振幅相对大小之间有比较好的吻合关系，说明本发明方法是一种稳定、实用的水力压裂微地震震源机制反演方法。
[0074] 第二实施例
[0075] 图7是根据本发明第二实施例的岩石孔隙结构参数反演系统的结构示意图，下面参考图7来说明本实施例的各部分组成。
[0076] 具体在图7中，本实施例的P波振幅曲线拾取模块71执行第一实施例的步骤S110的操作，P波振幅曲线校正模块72执行第一实施例的步骤S120的操作，P波振幅曲线的平滑处理模块73执行第一实施例的步骤S130的操作，断层节面解的反演提取模块74执行第一实施例的步骤S140的操作。在此不再详细展开。
[0077] 本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成
电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的
硬件和
软件结合。
[0078] 虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的
修改与变化，但本发明的
专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。
