基于双差微地震震源定位法及应用研究

王瑜(中国石油化工股份有限公司石油物探技术研究院，江苏 南京 210014)

0 引言

微地震监测技术是油气田开发中的一项关键技术，通过观测、分析水力压裂生产活动中所产生的微小地震事件来监测生产活动的影响、效果及地下状态的地球物理技术。与地震勘探相反，微地震监测中震源的位置、发震时刻和震源强度都是未知的。确定这些因素恰恰是微地震监测的首要任务，实现震源的准确定位是微地震监测技术的重要目标。最初出现的震源定位方法中，主要是基于直达波初至与地层模型的反演方法，利用拾取的直达P、S 波初至反演震源位置或发展时刻，使得模拟的初至与实际拾取的初至误差达到最小，这种方法是目前应用最为广泛的一种方法，但是地面微地震监测的方法S 波的能量弱，大多数的微地震信号只能看到P 波，用P、S 波反演定位的方法适用井中微地震监测。由于地面微地震监测数据受噪音的影响，在进行初至拾取的时候会受到很大的影响，利用能量的聚焦的方法针对地面微地震监测方法对微弱微地震时间进行叠加，根据叠加能量的最大值确定震源位置。其优势为不需要拾取微地震事件的初至走时，计算速度快，可以满足快速定位，精度较低，定位结果具有网格效应。由于微地震信号与天然地震信号具有类似的震源机制和信号特征，因此可以借鉴天然地震学中震源定位方法进行微地震震源定位研究。

2000 年F.Waldhauser 和W.E. sworth 提出双差定位方法，是一种相对定位方法，现阶段在天然地震领域中得到了极为广泛的应用，并能进行精确的重定位。这种方法一种相对定位的线性方法，其运算的速度快，效率高，易于局部收敛；有相对的主事件，相对的定位精度较高，同时也不受空间范围的限制。在起伏地表存在近地表低速层，其速度的变化直接影响震源扫描定位的精度，反而鉴于双差定位是靠事件对之间的走时差去确定其相对的位置，同时就抵消了这种由于近地表和地层速度变化引起的误差，提高了其定位的精度。

本文引入将双差定位法引入微地震监测领域，将其方法进行改进，适用于微地震监测的定位方法中，并实现微地震震源重定位，提高其定位的精度，实现高精度的微地震定位。

1 基于双差微地震定位方法

根据微地震信号与天然地震信号具有类似的震源机制和信号特征。分析其微地震资料的特点：事件震源分布集中，事件间的距离远远小于其到检波器的距离的特点。

选取射孔事件作为主事件，拾取微地震事件的观测走时，并通过计算其射孔和事件的观测走时与理论计算走时差的残差(“双差”)确定其相对的距离。其具体实现的步骤为：

根据射线理论，计算射孔及微地震事件微地震事件i 到检波器k 的走时：

将其一阶泰勒展开：

通过互相关函数法或手动拾取方法拾取微地震事件到各个检波器的观测初至到时。

计算射孔事件与微地震事件(或两个微地震事件)到各检波器的走时差：

将各检波器的所有地震事件对形成的方程联立得到的方程组：

其中，G 为偏导数矩阵，d 为双差数据向量。

求解(5)式，要求全部的地震的四个参数整体变化为零，即为：

要求全部的震源的四个参数Δxij、Δyij、Δzij和Δτij整体变化为零。

利用LSQT 法最小二乘求解(5)式，得到两个微地震震源的四个震源参数的相对值，即为两个震源的相对位置。

射孔的真实位置为已知，微地震事件的震源位置为其射孔的真实位置加上其四个相对值：

设射孔的真实位置为x，y,z；求解(5)式得到的相对位置为Δx, Δy, Δz；则微地震事件的震源位置为：

2 实际资料应用

文章以一水平井水力压裂微地震监测试验数据为列。该压裂井垂直井深为678 米、方向352°、水平段1260 米，水力压裂增产7 段压裂，采用地面微地震监测方式。

选取导爆索的两个记录(如图1 和图2)进行主事件进行定位；拾取能量较强的同向轴信息，进行定位；计算得到的相对距离和实际的距离的相对误差(如图3)；和实际的对比；计算其相对位置的差值为：x:4；y:21；z:1.225；其三个方向误差小于21m。

图1 导爆索1剖面图

图2 导爆索2剖面图

图3 两个导爆索“双差”计算误差

选取第六段压裂事件进行测试，其结果均是基于导爆索的误差基础上进行。在这段压裂中，拾取中强的有效事件共57 个。由于本井的深度较浅，所以其事件均为强事件。

前期的处理中通过震源扫描定位其事件的位置(如图4 与图5)。使用双差定位方法对其所有事件中的前25 个进行定位，如图6 和图7 为第六段双差定位的结果。

图4 震源扫描定位结果(XY方向)

图5 震源扫描定位结果(YZ方向)

图6 双差定位结果(XY方向)

图7 双差定位结果(YZ方向)

对比两种定位方法的计算结果，两种方法整体的分布趋势相同，震源扫描算法受强噪音能量叠加的影响，水平方向分布较散，深度方向网格效应较为明显；而双差定位方法，平面分布更为收敛，其有效事件的精度明显有所提高，深度方向也相对的集中，效果较高，同时也证明双差定位方法这种高精度方法的可行性和实用性，更加真实的反映压裂过程裂缝破裂的位置信息。

3 结语

文章根据微地震信号与天然地震信号具有类似的震源机制和信号特征。通过计算其射孔和事件的观测走时与理论计算走时差的残差(“双差”)确定其相对的距离。这种基于双差法的微地震震源定位技术，其运算的速度快，效率高，易于局部收敛；有相对的主事件，相对的定位精度较高，同时也不受空间范围的限制；并在实际应用中也得验证，定位结果和实际情况基本吻合。

实际测试分析双差定位方法受旅行时的拾取精度得限制，只能用于强事件重定位中，校正震源扫描定位的事件簇的整体误差；在等效速度模型的定位效果较好，但层状速度模型精度较低，后期可进行速度模型和定位结果同时优化，提高整体的定位精度。