專利名稱：用于在垂直橫向各向同性介質中檢測地面下地震事件的方法
技術領域：
本發明一般涉及發生在地面下的地震事件的無源檢測和成像的領域。更具體地，本發明涉及如可被應用于具有擁有垂直對稱軸的橫向各向同性(“VTI ”)的巖層中的這種技術。
背景技術：
無源地震發射層析成像是一種過程，其中地震傳感器陣列以所選模式被部署在地球表面上或其附近(或在海洋勘測中的海床上)，且從發生在地球的地面下之內的各種地震事件所發出的地震能量在該傳感器處被檢測。處理由傳感器所檢測到的信號尤其被用于確定在地球地面下之中各種地震事件發生的位置、地層破壞的機制以及這種事件的發震時間。無源地震發射層析成像的應用包括，例如，確定由沿地質斷層(巖層或地層中的破裂)的運動、核存放地點的裂縫延伸、地面下儲層中的流體運動、井眼機械過程(例如套管斷裂)所引起的微地震的發震點，以及監測被注入到地面下儲層中的充滿支撐劑的流體的運動，以增加鉆透碳氫化合物生產地面下地球地層的井眼(“壓裂”)的有效井眼半徑。后面一個應用，被稱為“壓裂監測”，其意圖使井眼操作者能夠相對于時間確定該充滿支撐劑的流體移動穿過特定的地面下地球地層的方向和速度。在頒發給Duncan等人且被轉讓給本發明的受讓人的編號為7，663，970的美國專利中描述了一種用于發生在地面下的地震事件的發震位置和時間的無源檢測的特別有用的技術。前述的專利中所描述的技術包括將被記錄在所選位置的地震信號變換到地震事件源的可能空間位置的域中。根據變換后的地震數據的至少一個屬性的空間和時間分布，確定至少一個地震事件的空間位置和時間中的起源。然而，對微震事件的正確表征依賴于使用地面下巖層的精確的速度模型。本領域中已知的無源微震監測采用暫時部署的傳感器陣列來執行，如上面所解釋的，傳感器陣列可以被部署在一個或多個地面下監測井中或地面上。近來，在淺鉆孔中(“埋置陣列”)半永久或永久地部署地震傳感器(例如，地震檢波器)以在地面下儲層的規模下的不同壓裂處理當中提供一致的微震測繪，其在本領域中是已知的。這種類型的監測允許開發用于特定儲層中所使用的所有壓裂處理的一致的速度模型。精確速度模型開發中的一個特別的考慮是，某些地面下巖層展示出地震速度的各向異性。地震的各向異性是地震速度對波傳播方向的相關性。參見，Thomsen，L.，1986，Weak elastic anisotropy, Geophysics, 51 (10)，1954-1966。與受控源地震勘測一起，地震各向異性已經被廣泛用于改進儲層成像(參見， 例 如，Tsvankin, 1., and V.Grechka, 2006, Developments in seismicanisotropy:Treating realistic subsurface models in imaging and fracturedetection: CSEG Recorder, 31 (special edition), 43-46),巖相區分(例如，頁巖對比砂)(參見，Vernik, L., 2007, Anisotropic correction of sonic logs in wells withlarge relative dip, Geophysics 73 , El (2008) ; do1: 10.1190/1.2789776),表征斷裂和應力，以及監測從其抽取流體(例如，石油和天然氣)的地面下地層的地震特性中的時滯變化。在受控源(“有源的”)地震勘測中，將彈性各向異性結合到遷移算法中允許對反射器的正確定位，并進一步增強對區域速度結構的理解。在無源地震中，連同其它參數一起，對速度各向異性進行說明對于獲得精確的震源位置、震源機制以及遠偏移接收器的最佳疊加是重要的。當前遷移類型無源地震事件定位技術一般依賴于來自垂直敏感地震傳感器(例如，地震檢波器或加速計)的壓縮(“P”)波疊加。通常，速度模型是得自ID聲學井眼記錄的，或可替代地得自于垂直地震剖面(“ VSP ”)或“檢驗爆破(checkshot) ”所派生的ID模型。由于分層，頁巖內部的剪切和壓縮速度在水平面中比垂直平面中更快。結果是，觀察到VTI類型的各向異性增加了水平速度，并可以解釋為什么校準爆破的正確深度位置僅利用具有增加速度的各向同性模型來獲得。按比例增加各向同性速度可提供鉆孔爆破的局部相似的定位精度，然而，如果鉆孔爆破或微震事件發生在顯著不同的側向位置處，由于接收器靜止狀態僅被調諧到所選擇的校準位置，前述的近似可能產生有偏向的結果。VTI各向異性似乎比按比例增加(通常為1D)各向同性速度剖面更好地反映地震速度，導致了更小的殘差和對于多種處理的更一致的接收器靜止狀態。因此，使用VTI各向異性能夠實現在儲層的各種部分處的新的微震事件的更快和更恒定的測繪。需要的是一種用于說明速度各向異性的地面下地震事件的測繪的方法。
發明內容
根據本發明一個方面的用于確定發生在地球地面下的地震事件的位置和發震時間的方法，包括接受從被部署在地面下所關注體積上方的多個地震傳感器記錄的信號，作為對于該方法的輸入。所記錄的信號是地震振幅相對于時間的表示。從所記錄的信號確定多個地面下地震事件中每一個的發震時間和位置。然后，每個事件的發震時間和位置被用來獲得在所關注體積中的地層中的Thomsen參數。事件中的每一個的深度由每個事件的深度個別確定，Thomsen參數的迭代反演和對深度及發震時間的更新繼續進行，直到達到RMS誤差的最小值的限度。本發明的另一個方面是一種具有存儲其上的計算機程序的計算機可讀介質。該程序具有可操作成使可編程計算機執行用于確定發生在地球地面下的地震事件的位置和發震時間的方法的邏輯。該方法包括接受從被部署在地面下所關注體積上方的多個地震傳感器記錄的信號，作為對于該方法的輸入。所記錄的信號是地震振幅相對于時間的物理表示。從所記錄的信號確定多個地面下地震事件中每一個的發震時間和位置。每個事件的發震時間和位置被用于更新在所關注體積中的地層中的湯姆森參數。在所有事件的共同反演期間個別搜索事件中的每一個的深度，該共同反演包括更新Thomsen參數和發震時間，以及設定RMS誤差的最小值作為限度。根據下面的描述和所附的權利要求，本發明的其它方面和優點將是顯而易見的。
圖1示出了在井眼的壓裂處理期間的無源地震數據采集的示例。圖2示出了根據本發明的反演過程的一部分的流程圖。圖3示出了根據本發明的反演過程的另一部分的流程圖。圖4示出了具有各種計算機可讀介質的通用可編程計算機，該各種計算機可讀介質可以存儲能夠使計算機執行本發明的方法的計算機程序。
具體實施例方式根據本發明的方法將被一般性地描述，且特定地參考在對巖層的地面下壓裂處理的進程進行監測中的使用的示例。隨后，將描述對示例實現的特定案例研究。在所描述的案例研究中，初始速度模型是得自于地表地震檢驗爆破勘測的分層ID各向同性模型，然而，該技術一般可適用于3D介質。因為檢驗爆破勘測一般僅從單偏移(源到傳感器的距離)提供地震信息，速度模型不得不被平滑以表示巖層的ID各向同性分層模型。在該示例案例研究中，為定位校準爆破(即，在已知的時間和位置處引爆的鉆孔彈藥)，此類模型不得不被人為增加到1.25倍。然而，這種方法與所了解的巖層中聲傳播的物理過程不一致。檢驗爆破所派生的速度模型和將校準爆破定位到正確深度的模型之間的失配，可以由地面下區域內VTI類型的聲速各向異性來解釋。因為示例案例研究是使用頁巖儲層所進行的，所以這種結果與 Sayers, C.Μ., 1993, Anelliptic approximations for shales, J.SeismExplor.,2:319-331 和 Sayers, C.M., 1994, The elastic anisotropy of shales, J.Geophys.Res., 99 (BI):767-774.中所描述的結果相一致。上文引用中所描述的調查結果示出了頁巖由于內在構造屬性而可以產生強烈的非橢圓各向異性。這種信息已被用于開發根據本發明的用于在存在VTI介質情況下的測繪地面下地震事件的方法。已描述了本發明的科學背景，現在將呈現實現方式的示例。如本文先前所述，本發明的一個特定應用是對地面下巖層的壓裂處理的測繪。這種處理的示例和地震信號的對應采集將參考圖1進行解釋。在圖1中，一般在12處所示的多個地震傳感器的每一個，都被部署在鄰近地球表面14的所選位置處。在海洋應用中，地震傳感器通常將在被稱作“海底電纜”的裝置中被部署在水底上。在本實施例中，地震傳感器12可以是地震檢波器，但也可以是響應于鄰近該傳感器的地球微粒的速度、加速度或運動的加速計或本領域中已知的任何其它感測裝置。地震傳感器12生成信號，例如，最終為地震振幅的物理表示的電或光信號。響應于微粒運動或加速度來生成信號，并且這種信號最終被耦合到用于對來自每個傳感器12的信號進行時間索引記錄的記錄單元10，以用于由根據本發明的方法稍后進行解釋。在其它實現方式中，地震傳感器12可以被置于鉆透地面下地層的井眼內的各種位置處。本發明的方法的一個特別優點是，當地震傳感器被置于地球表面或其附近時，其提供一般有用的結果。與先于本發明的本領域中已知方法中通常所需的地面下傳感器放置相對比，地震傳感器的地表部署是相對有成本和時間效率的。一般地，地震傳感器12被定向使得它們響應于在垂直方向上的微粒運動。在某些實施例中，地震傳感器12可以被布置在子分組中，這些子分組之間所具有的間隔小于意圖被檢測到的來自地球地面下的地震能量的預期波長的大約二分之一。來自一個或多個子分組中的所有傳感器的信號可以被相加或求和，以降低所檢測到的信號中的噪聲影響。在其它實施例中，地震傳感器12的一些或全部可以被放置于井眼中，或者永久地用于某些長期監測應用，或者是暫時地，諸如通過線纜運送、管道運送或本領域中已知的任何其它傳感器運送技術來放置。穿過碳氫化合物生產層20，井眼22被示出鉆透各種地面下地球地層16、18。具有形成于其中的鉆孔26的與碳氫化合物生產層20的深度相對應的井眼管道24，被連接到被稱為井口(wellhead) 30的閥門組，該井口 30被置于地球表面處。井口可以被水利地連接到壓裂泵單元32中的泵34。壓裂泵單元32被用于抽取流體的過程中，該流體在某些情況下包括被布置的所選尺寸的固體微粒，統稱為“支撐劑”。抽取這種流體，不管是被支撐還是以其它方式，稱為水力壓裂。流體的運動在圖1中流體前緣28處被示意性地示出。在本領域中已知的水力壓裂技術中，流體在超過特定生產層20的破裂壓力的壓力下被抽取，導致其斷裂，并在其中形成裂隙。破裂壓力一般與由被置于碳氫化合物生產層20上方的所有地層16、18的重量所施加的壓力有關，并且這種壓力一般被稱為“蓋層壓力(overburdenpressure)”。在有支撐的壓裂操作中，在流體壓力被降至低于地層20的破裂壓力后，支撐劑的微粒移動到這種裂隙中并保持在其中。通過對微粒尺寸分布和形狀的適當選擇，支撐劑在地層20中形成高可滲透性通道，其可以遠離管道24延伸很大的側向距離，且這種通道在流體壓力被減輕后保持可滲透。充滿支撐劑的通道的效果是增加與生產層20水力連通的井眼24的有效半徑，從而相當大地提高了井眼24對碳氫化合物的生產能力。由流體壓力所產生的地層20的壓裂產生由地震傳感器12所檢測到的地震能量。由每一個傳感器12相對于在流體前緣28處引起的地層壓裂的地面下之中的隨時間變化的位置檢測地震能量的時間，與每一個地層16、18、20的聲速以及每一個地震傳感器12的位置有關。已經解釋了可以與根據本發明的方法一起使用的一種類型的無源地震數據，現在將解釋用于處理這種地震數據的方法。從每一個傳感器12記錄的地震信號可以首先通過地震數據處理領域中眾所周知的某些過程進行處理，該過程包括上文所描述的求和以及各種形式的濾波。在一些實施例中，傳感器12可以被布置在基本上沿著可由泵單元32生成的聲能量的傳播方向的方向上，該方向在圖1的實施例中在徑向上向外遠離井口 30。通過地震傳感器12的這種布置，來自泵單元32和井口 30附近的類似來源的噪聲可以通過速度濾波，諸如頻率-波數(f k~)濾波，在地震信號中進行衰減。本領域的普通技術人員將想到用于噪聲降低和/或信號增強的其它處理技術。由于水力壓裂可以在地表下方的很大深度處的巖層中被傳導的事實，在由個別地震傳感器(圖1中的12)所做出的數據記錄中，對所做出數據記錄的視覺檢查(例如，在圖1中的記錄單元10中)可以指示沒有可見的地震事件“到達”(振幅指示地面下地震事件的檢測時間)，甚至當此類事件是在已知位置和深度處的鉆孔彈藥爆炸或校準爆破(導炸索的爆炸，稱為“引線爆破(string shot)”)時。因此，本發明包括可基于所觀察到的通過壓裂抽取所引入的微震事件的反演技術。在這種方法中，P波到達時間是從個別的接收器記錄(稱為“痕跡”)中選出的，其中有可能觀察到源自于作為壓裂抽取的結果的巖層壓裂的P波的明顯的、直接的到達。P波到達可以在視覺上被選擇，或者可以通過掃描記錄單元(圖1)或其它計算機中的數據記錄來選擇，例如，P波到達的時機可以從接收器組中最大疊加能量的時間來確定。(參見圖4)。記錄例如超過所選閾值的振幅可被用于在計算機中自動地或在視覺上指示P波到達。地面下的初始速度模型通常是得自于外界來源的分層ID各向同性模型，例如，取自于近乎垂直的井中的具有小側向偏移(地震源和地震傳感器之間的水平距離)的有源來源地震檢驗爆破速度。可替代地，如果井眼被使用，其中將井眼中深處的源或傳感器的位置從井眼的地表位置進行移位，則其它的源或傳感器應該被置于地表附近、在井眼中的裝置的深處位置處基本上正上方的位置處。這種檢驗爆破勘測，如上文所提出的，可以利用井眼中的源和地表處的傳感器來執行，或者可以使用地表處的地震能量源并在檢驗爆破井眼中放置地震傳感器來執行。在任何前述的情況下，地震能量沿基本上垂直的行進路徑從源行進到接收器。本領域的技術人員將理解，使用垂直井眼可以提供能夠使用地表裝置而無需為將位于井眼中裝置正上方的每個“爆破”將其移動的優點。盡管如此，所有上述配置可以提供用于執行本發明的方法的有用數據。當這樣進行檢驗爆破勘測時，使用檢驗爆破勘測所獲得的初始速度模型表示地震波在垂直方向上行進的速度。假定初始速度模型是各向同性的，因此其不會改變在側向方向(垂直于橫向)上的地震速度。然后，ID各向同性速度模型和所確定的P波到達可被用來估計所觀察到的微震事件的水平位置。因此確定的微震事件的深度，被初始固定到壓裂的深度或得自于按比例的各向同性模型中的位置的深度。然后，所確定事件的位置被反演，以獲得每個事件的發震時間以及具有垂直對稱軸(VTI)的有效各向異性參數。各向異性的VTI參數的反演依賴于發震時間和深度，反之亦然。因此，在根據本發明的方法中，在最小化到達時間殘差的同時，在用于各向異性參數的反演和用于微震事件的發震時間和深度的反演(或用于各向異性參數的反演和用于引線爆破的發震時間的反演)之間執行迭代。為了針對各向異性參數進行反演，有必要挑選來自在遍及被關注的地面下地層所記錄的良好質量事件的準壓縮(qP)波的到達時間。沿從起源到任何特定地震傳感器的傳播方向的壓縮波速度，可以利用
vp(Θ=0)計算，其中Vp是垂直速度，且垂直軸和地震能量射線方向之間的傾角由Θ表示。弱
(ε, δ 1)彈性VTI各向異性qP波速度可以由表達式近似:
權利要求
1.一種用于確定發生在地球的地面下之中的地震事件的位置和發震時間的方法，包括: 接受從被部署在地面下所關注體積處或其上方的多個地震傳感器記錄的信號作為對于該方法的輸入，所記錄的信號是地震振幅相對于時間的物理表示； 從所記錄的信號確定多個地面下地震事件中每一個的發震時間和位置； 對每個事件的發震時間和位置進行反演，以獲得所關注體積中的地層中的Thomsen參數；以及 通過個別搜索每個事件的深度來搜索事件中的每一個的深度，采用每個被結合的新深度的反演包括更新Thomsen參數和設定RMS誤差的最小值作為限度。
2.根據權利要求1的方法，其中所述地震事件具有已知的深度和水平位置，并且不執行對深度的搜索。
3.根據權利要求1的方法，其中所述地震事件具有已知的深度和水平位置以及發震時間，并且不執行對深度的搜索或對發震時間的確定。
4.根據權利要求1的方法，其中所述地震事件由地面下體積中的巖層的水力壓裂所引起。
5.根據權利要求1的方法，其中根據在所記錄的信號中被檢測到的所選振幅事件的到達時間來確定所述發震時間和位置。
6.根據權利要求3的方法，其中通過初始假定巖層具有各向同性速度來根據到達時間確定所述發震時間和位置 。
7.根據權利要求3的方法，其中通過在超過所選振幅閾值的疊加信號中識別事件來選擇所述發震時間。
8.根據權利要求1的方法，其中地面下地震事件由至少一個地面下地層的水力壓裂所引起。
9.根據權利要求8的方法，進一步包括生成由壓裂所引起的事件的發震位置圖。
10.一種具有存儲其上的程序的計算機可讀介質，所述程序具有可操作成使可編程計算機執行用于確定發生在地球的地面下之中的地震事件的位置和發震時間的方法的邏輯，包括: 接受從被部署在地面下所關注體積上方的多個地震傳感器記錄的信號作為對于該方法的輸入，所記錄的信號是地震振幅相對于時間的物理表示； 從所記錄的信號確定多個地面下地震事件中的每一個的發震時間和位置； 對每個事件的到達時間和位置進行反演，以獲得所關注體積中的地層中的Thomsen參數；以及 通過個別搜索每個事件的深度來搜索事件中每一個的深度，采用每個被結合的新深度的反演包括更新Thomsen參數和設定RMS誤差的最小值作為限度。
11.根據權利要求10的計算機可讀介質，其中所述地震事件由地面下體積中巖層的水力壓裂所引起。
12.根據權利要求10的計算機可讀介質，其中根據在所記錄的信號中被檢測到的所選振幅事件的到達時間來確定所述發震時間和位置。
13.根據權利要求12的計算機可讀介質，其中通過在超過所選振幅閾值的疊加信號中識別事件來選擇所述到達時間。
14.根據權利要求12的計算機可讀介質，其中通過初始假定巖層具有各向同性速度來根據到達時間確定所述發震時間和位置。
15.根據權利要求10的計算機可讀介質，其中所述地面下地震事件由至少一個地面下地層的水力壓裂所引起。
16.根據權利要求15的計算機可讀介質，進一步包括用于使所述計算機執行生成由壓裂所引起的事件的發震位置圖 的指令。
全文摘要
一種用于確定發生在地球的地面下之中的地震事件的位置和發震時間的方法，包括接受從被部署在地面下所關注體積上方的多個地震傳感器記錄的信號，作為對于該方法的輸入。所記錄的信號是地震振幅相對于時間的表示。根據所記錄的信號和初始1D或3D速度模型來確定多個地面下地震事件中的每一個的發震時間和位置。每個事件的發震時間和位置被反演，以獲得在所關注體積中的地層中的Thomsen參數。事件中的每一個的深度通過個別搜索每個事件的深度來確定，采用每個被結合的新深度的反演包括更新Thomsen參數和針對每個事件設定RMS誤差的最小值作為限度且針對所有事件設定總RMS誤差的最小值作為限度。
文檔編號G01V1/28GK103109207SQ201180041977
公開日2013年5月15日 申請日期2011年8月9日 優先權日2010年8月30日
發明者Y.張, L.埃斯納 申請人:麥克羅地震探測公司