基于雙差微地震震源定位法及應用研究

王瑜(中國石油化工股份有限公司石油物探技術研究院，江蘇 南京 210014)

0 引言

微地震監測技術是油氣田開發中的一項關鍵技術，通過觀測、分析水力壓裂生產活動中所產生的微小地震事件來監測生產活動的影響、效果及地下狀態的地球物理技術。與地震勘探相反，微地震監測中震源的位置、發震時刻和震源強度都是未知的。確定這些因素恰恰是微地震監測的首要任務，實現震源的準確定位是微地震監測技術的重要目標。最初出現的震源定位方法中，主要是基于直達波初至與地層模型的反演方法，利用拾取的直達P、S 波初至反演震源位置或發展時刻，使得模擬的初至與實際拾取的初至誤差達到最小，這種方法是目前應用最為廣泛的一種方法，但是地面微地震監測的方法S 波的能量弱，大多數的微地震信號只能看到P 波，用P、S 波反演定位的方法適用井中微地震監測。由于地面微地震監測數據受噪音的影響，在進行初至拾取的時候會受到很大的影響，利用能量的聚焦的方法針對地面微地震監測方法對微弱微地震時間進行疊加，根據疊加能量的最大值確定震源位置。其優勢為不需要拾取微地震事件的初至走時，計算速度快，可以滿足快速定位，精度較低，定位結果具有網格效應。由于微地震信號與天然地震信號具有類似的震源機制和信號特征，因此可以借鑒天然地震學中震源定位方法進行微地震震源定位研究。

2000 年F.Waldhauser 和W.E. sworth 提出雙差定位方法，是一種相對定位方法，現階段在天然地震領域中得到了極為廣泛的應用，并能進行精確的重定位。這種方法一種相對定位的線性方法，其運算的速度快，效率高，易于局部收斂；有相對的主事件，相對的定位精度較高，同時也不受空間范圍的限制。在起伏地表存在近地表低速層，其速度的變化直接影響震源掃描定位的精度，反而鑒于雙差定位是靠事件對之間的走時差去確定其相對的位置，同時就抵消了這種由于近地表和地層速度變化引起的誤差，提高了其定位的精度。

本文引入將雙差定位法引入微地震監測領域，將其方法進行改進，適用于微地震監測的定位方法中，并實現微地震震源重定位，提高其定位的精度，實現高精度的微地震定位。

1 基于雙差微地震定位方法

根據微地震信號與天然地震信號具有類似的震源機制和信號特征。分析其微地震資料的特點：事件震源分布集中，事件間的距離遠遠小于其到檢波器的距離的特點。

選取射孔事件作為主事件，拾取微地震事件的觀測走時，并通過計算其射孔和事件的觀測走時與理論計算走時差的殘差(“雙差”)確定其相對的距離。其具體實現的步驟為：

根據射線理論，計算射孔及微地震事件微地震事件i 到檢波器k 的走時：

將其一階泰勒展開：

通過互相關函數法或手動拾取方法拾取微地震事件到各個檢波器的觀測初至到時。

計算射孔事件與微地震事件(或兩個微地震事件)到各檢波器的走時差：

將各檢波器的所有地震事件對形成的方程聯立得到的方程組：

其中，G 為偏導數矩陣，d 為雙差數據向量。

求解(5)式，要求全部的地震的四個參數整體變化為零，即為：

要求全部的震源的四個參數Δxij、Δyij、Δzij和Δτij整體變化為零。

利用LSQT 法最小二乘求解(5)式，得到兩個微地震震源的四個震源參數的相對值，即為兩個震源的相對位置。

射孔的真實位置為已知，微地震事件的震源位置為其射孔的真實位置加上其四個相對值：

設射孔的真實位置為x，y,z；求解(5)式得到的相對位置為Δx, Δy, Δz；則微地震事件的震源位置為：

2 實際資料應用

文章以一水平井水力壓裂微地震監測試驗數據為列。該壓裂井垂直井深為678 米、方向352°、水平段1260 米，水力壓裂增產7 段壓裂，采用地面微地震監測方式。

選取導爆索的兩個記錄(如圖1 和圖2)進行主事件進行定位；拾取能量較強的同向軸信息，進行定位；計算得到的相對距離和實際的距離的相對誤差(如圖3)；和實際的對比；計算其相對位置的差值為：x:4；y:21；z:1.225；其三個方向誤差小于21m。

圖1 導爆索1剖面圖

圖2 導爆索2剖面圖

圖3 兩個導爆索“雙差”計算誤差

選取第六段壓裂事件進行測試，其結果均是基于導爆索的誤差基礎上進行。在這段壓裂中，拾取中強的有效事件共57 個。由于本井的深度較淺，所以其事件均為強事件。

前期的處理中通過震源掃描定位其事件的位置(如圖4 與圖5)。使用雙差定位方法對其所有事件中的前25 個進行定位，如圖6 和圖7 為第六段雙差定位的結果。

圖4 震源掃描定位結果(XY方向)

圖5 震源掃描定位結果(YZ方向)

圖6 雙差定位結果(XY方向)

圖7 雙差定位結果(YZ方向)

對比兩種定位方法的計算結果，兩種方法整體的分布趨勢相同，震源掃描算法受強噪音能量疊加的影響，水平方向分布較散，深度方向網格效應較為明顯；而雙差定位方法，平面分布更為收斂，其有效事件的精度明顯有所提高，深度方向也相對的集中，效果較高，同時也證明雙差定位方法這種高精度方法的可行性和實用性，更加真實的反映壓裂過程裂縫破裂的位置信息。

3 結語

文章根據微地震信號與天然地震信號具有類似的震源機制和信號特征。通過計算其射孔和事件的觀測走時與理論計算走時差的殘差(“雙差”)確定其相對的距離。這種基于雙差法的微地震震源定位技術，其運算的速度快，效率高，易于局部收斂；有相對的主事件，相對的定位精度較高，同時也不受空間范圍的限制；并在實際應用中也得驗證，定位結果和實際情況基本吻合。

實際測試分析雙差定位方法受旅行時的拾取精度得限制，只能用于強事件重定位中，校正震源掃描定位的事件簇的整體誤差；在等效速度模型的定位效果較好，但層狀速度模型精度較低，后期可進行速度模型和定位結果同時優化，提高整體的定位精度。