微地震定位及结构成像研究

论文摘要

微地震监测在煤田,储层压裂以及油藏驱动监测等领域扮演着重要角色。其中,微地震监测是地下水力压裂裂缝成像的关键技术。在水力压裂改造储层过程中,通过微地震监测裂缝分布或岩石属性变化,有利于现场工程师有效地评估水力压裂的效力并进行下一次压裂工程等等。目前评估压裂储层体积主要有三种途径:第一种,通过微地震的位置和震源机制来描绘裂缝发育的形态和体积;第二种,直接对产生储层改造区域内的裂缝或断层进行成像;第三种,直接反演储层改造区域内的岩石地质力学参数(例如速度比或泊松比)的变化。因此,我们主要对目前存在于这三种途径中的主流方法进行分析和改进。在第一种途径中,我们主要是解决地表和井中监测定位方法存在的一些问题。地表和井中监测是目前两种常用的监测手段。在地表监测中,由于接收到的地震信号弱的原因,通常利用绕射扫描叠加的方法来确定地震事件的位置。在绕射扫描叠加算法中,常规的线性叠加条件不能消除极性反转以及压制噪音所导致的定位误差。因此,我们提出了两种基于相关的叠加条件用于解决极性反转及缓解低信噪比的影响:第一个是互相关叠加条件,在叠加过程中,我们先得到相邻记录上的能量积,然后再将这些能量积们相加得到时空中某一点的总能量。在地表监测高密度检波器覆盖的条件下,除了少量的存在于焦平面上相邻的检波器外,其他绝大多数相邻检波器所记录的极性总是相同的,初始跳动同上或同下,因此其相乘以后所得到的积总是相同的。在这种条件下,我们不仅消除了极性反转导致线性叠加后能量不聚焦的情况,而且也增强了能量图的时空分辨率。第二个是多维互相关叠加条件,在叠加过程中,我们先将所有的记录分为不同组,每个组内用线性叠加条件相加,然后我们再将所有得到的能量和进行相乘。组数的设定取决于经验和要求(稳定性和分辨率),如果将所有的观测划分为一组,该成像条件则会退为线性叠加条件,其稳定性是最高的,而分辨率则是最低的;如果将每个观测划分为单独一组,该成像条件则会显示最高的时空分辨率,但稳定性不如线性叠加条件。类似于互相关叠加条件,在高密度观测覆盖下,多个观测上相乘得到的能量积与极性没有关系,能量得以聚焦在正确的位置上。相比于互相关叠加条件,多维互相关叠加条件更能够提高能量图的时空分辨率,抵抗强噪音所带来的干扰。另外,与现在比较耗时的边扫描边极性矫正的方法不同,我们所提出的两个叠加条件没有增加其计算成本即可解决极性反转的能量不聚焦的影响。理论与实际例子均体现了所提出方法的有效性和实用性。与地表监测不同的是,井中观测数据质量会高的多。对于井中监测定位而言,通常利用拾取的高精度初至到时对事件位置进行搜索或反演。由于事件定位的不确定性受速度模型的影响,因此最近的事件位置及速度模型的同时反演发展迅速。当考虑到地下介质的各向异性的时候,多参数及其权衡将给反演带来很强的非线性及易陷入局部极小值,尤其在射线覆盖不足或糟糕的情况下。为了提高反演的稳定性和有效性,我们提出利用相邻检波器计算近似的相慢度垂向分量来约束检波器所在层的各向异性参数。在假设速度模型为垂向各向异性情况下,我们提出了联合走时和相慢度垂向分量同时反演事件位置和五个汤姆森参数。在合成例子中射线覆盖很差的情况下,我们证明了相慢度垂向分量约束反演的有效性,并在实际例子中表现出更合理的定位分布。在第二种直接对裂缝成像的途径中,我们主要通过改进目前的逆时偏移以获取更高分辨率的成像结果,以便于更加准确地描述压裂形成的裂缝分布。常规的逆时偏移成像方法已经被证明可以用来对井中观测的散射波数据进行裂缝成像。我们提出了多维互相关成像条件替换了原有的互相关成像条件,并介绍了染色算法作用于正传波场上。染色算法可以通过染色模型将正传波场分为常规的波场以及染色波场。多维互相关成像条件主要是将反传波场划分为多个反传波场,然后与正传波场或染色波场作用从而形成两个成像结果:一个是总的成像结果,另一个是对目标染色区域的成像结果。多维互相关条件提高了成像结果的空间分辨率,染色算法进一步提高了目标区域成像结果的分辨率。我们用合成例子验证了我们所提出方法的有效性,并分析了成像结果在事件参数扰动,速度模型不准确及不同噪音强度下的影响。在最后一种评估改造储层体积的途径中,由于水力压裂产生的裂缝和流体会使压裂区的岩性或地质力学参数发生明显的异常,因此走时层析成像可以用来对该区域的速度比或泊松比进行反演。常规得到速度比或泊松比的方法都是建立在P波和S波射线路径一致的情况下,但由于速度比不同P波和S波的射线路径是不同的,这将影响最终的速度比或泊松比成像结果的准确性。这里,我们通过分解S波速度并在不要求P波和S波射线路径一致的情况下,对速度比或泊松比直接进行反演,从而更好地约束最终的成像结果。另外,为了更好地约束事件定位及成像结果,我们将提出的走时层析成像方法延伸到双差及交叉双差走时层析成像版本。从方法理论和合成例子中,我们证明了提出的方法相比于传统的P波和S波速度比值方法有更好的分辨率,而且交叉双差方法能够得到最准确的事件位置及最高分辨率的成像结果。此外,我们将后方位角加到提出的方法中以约束事件定位并将后方位角约束下的方法运用到实际例子中,其结果显示了我们所提出方法的有效性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• CHAPTER 1 INTRODUCTION
•   1.1 Problems
•   1.2 Contributions
•   1.3 Outline
• CHAPTER 2 AUTOMATIC MICROSEISMIC STACKING LOCATION WITH AMULTI-CROSS-CORRELATION IMAGING CONDITION
•   2.2 Introduction
•   2.3 Methods
•   2.4 Synthetic examples
•   2.5 Field data examples
•   2.6 Discussions and conclusions
• CHAPTER 3 VERTICAL SLOWNESS CONSTRAINED JOINT VTI PARAMETERS AND EVENTLOCATIONS INVERSION FOR MICROSEISMIC MONITORING
•   3.2 Introduction
•   3.3 Theory
•     3.3.1 Traveltime inversion method （TM）
•     3.3.2 Vertical slowness constrained traveltime inversion method （VTM）
•   3.4 Synthetic examples
•   3.5 Field data example
•   3.6 Conclusions
• CHAPTER 4 MICROSEISMIC REVERSE TIME MIGRATION WITH AMULTI-CROSS-CORRELATION STAINING ALGORITHM FOR FRACTUREIMAGING
•   4.2 Introduction
•   4.3 Stained wavefield and stained data
•   4.4 Multi-cross-correlation imaging condition
•   4.5 Synthetic examples
•   4.6 Conclusions
• CHAPTER 5 ABSOLUTE,DOUBLE-DIFFERENCE,AND CROSS DOUBLE-DIFFERENCETOMOGRAPHY FOR MICROSEISMIC EVENT LOCATION AND 3D POISSON'SRATIO MODEL
•   5.2 Introduction
•   5.3 Theory
•   5.4 Tomography for 3D Vp and Poisson's ratio models
•   5.5 Tomography for event locations, 3D Vp and Poisson's ratio models
•   5.6 Discussions
•   5.7 Conclusions
• CHAPTER 6 JOINT EVENT LOCATION AND 3D POISSON'S RATIO TOMOGRAPHY FORMICROSEISMIC MONITORING
•   6.2 Introduction
•   6.3 Theory
•   6.4 Synthetic example
•   6.5 Field example
•   6.6 Discussions and conclusions
• CHAPTER 7 CONCLUSIONS AND FUTURE SUGGESTIONS
• APPENDIX A: sensitivity kernels for event parameters
• APPENDIX B: sensitivity kernels for Thomsen's parameters
• APPENDIX C: sensitivity kernels for velocity and Poisson's ratio
• APPENDIX D:double-difference passive seismic tomography
• APPENDIX E: cross double-difference passive seismic tomography
• APPENDIX F: comparison of double-difference and cross double-difference passiveseismic tomography
• REFERENCES
• PUBLICATIONS
• ACKNOWLEDGEMENTS（致谢）

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 袁聪聪

导师: 张捷

关键词: 微地震,地表监测,井中监测,压裂储层体积,事件定位,各向异性,裂缝成像,速度比,泊松比,扫描叠加定位,走时联合反演,逆时偏移,走时层析成像,双差走时层析成像,交叉双差走时层析成像

来源: 中国科学技术大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 地质学,地球物理学,矿业工程

单位: 中国科学技术大学

分类号: P631.4

总页数: 148

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