научная статья по теме ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ОЧАГОВ МИКРОСЕЙСМИЧЕСКИХ СОБЫТИЙ ПО ДАННЫМ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЕЙСМИЧЕСКИХ ГРУПП ПРИ СИЛЬНЫХ КОРРЕЛИРОВАННЫХ ПОМЕХАХ И СЛОЖНЫХ МЕХАНИЗМАХ ИСТОЧНИКОВ ИЗЛУЧЕНИЯ Геофизика

Текст научной статьи на тему «ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ОЧАГОВ МИКРОСЕЙСМИЧЕСКИХ СОБЫТИЙ ПО ДАННЫМ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЕЙСМИЧЕСКИХ ГРУПП ПРИ СИЛЬНЫХ КОРРЕЛИРОВАННЫХ ПОМЕХАХ И СЛОЖНЫХ МЕХАНИЗМАХ ИСТОЧНИКОВ ИЗЛУЧЕНИЯ»

ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2014, № 3, с. 28-50

УДК 550.34.016

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ОЧАГОВ МИКРОСЕЙСМИЧЕСКИХ СОБЫТИЙ ПО ДАННЫМ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЕЙСМИЧЕСКИХ ГРУПП ПРИ СИЛЬНЫХ КОРРЕЛИРОВАННЫХ ПОМЕХАХ И СЛОЖНЫХ МЕХАНИЗМАХ ИСТОЧНИКОВ ИЗЛУЧЕНИЯ

© 2014 г. А. Ф. Кушнир1, 2, A. В. Варыпаев1, 3, М. В. Рожков1, А. Г. Епифанский1, 4, И. Дрикер5, 6

1ЗАО "Научно-инженерный центр СИНАПС", г. Москва 2Институт теории прогноза землетрясений и математической геофизики РАН, г. Москва 3Московский институт электроники и математики, Высшая школа экономики, г. Москва 4Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики (Технический университет), г. Москва 5Earth Imaging, Inc., Saratoga Springs, NY, USA 6Instrumental Software Technologies, Inc., Saratoga Springs, NY, USA E-mail: afkushnir@gmail.com Поступила в редакцию 18.10.2013 г.

Мировой опыт показывает, что эффективным методом интенсификации разработки низко-проницаемых коллекторов на месторождениях углеводородов является метод гидроразрыва пласта (ГРП). Образующиеся при ГРП трещины среды, гидродинамически связанные со скважинами, приводят к существенному увеличению извлекаемых запасов углеводородов. Контроль процесса образования и распространения трещин при ГРП является важнейшей задачей менеджмента резервуаров углеводородов. Основным инструментом такого контроля является микросейсмический мониторинг ГРП, который позволяет оперативно определять геометрию трещин по сейсмическим волнам от микро-землетрясений, возникающих при образовании и развитии трещин. В работе рассматривается задача определения параметров микроземлетрясений по наблюдениям сейсмического волнового поля с помощью поверхностной группы сейсмоприемников. Особенность исследования состоит в том, что указанная задача рассматривается методами статистической теории оценивания параметров случайных процессов, что связано с высоким уровнем случайных техногенных помех, которые маскируют сигналы от микроземлетрясений, регистрируемые поверхностной группой при проведении ГРП. В статье предложен ряд алгоритмов, учитывающих статистические характеристики таких сейсмических помех, что позволяет преодолеть ряд недостатков, присущих технологиям, применяемым в настоящее время для микросейсмического мониторинга ГРП.

DOI: 10.7868/S000233371403003X

1. ВВЕДЕНИЕ

В теоретической части работы приводится об-

зор статистически оптимальных вычислительных алгоритмов для определения параметров микроземлетрясений, которые были разработаны авторами и опубликованы в статьях, патентах и докладах на международных конференциях в течение

2011—2013 годов. Алгоритмы синтезировались с целью оценивания по данным поверхностных сейсмических групп таких важнейших характеристик микроземлетрясений, как координаты их

очагов и параметры их механизмов, с учетом воздействия на группу сильных нестационарных сейсмических помех, коррелированных во времени и по пространству.

В качестве основного "инструмента" синтеза статистически оптимальных алгоритмов оценива-

ния параметров микросейсмического источника по сейсмограммам поверхностной группы сейсмо-приемников в работе использован метод максимального правдоподобия, примененный к преобразованиям Фурье этих сейсмограмм. Преобразование сейсмограмм группы в спектральную область позволяет вычислительно эффективно осуществлять оптимизацию алгоритмов обработки данных групп путем учета априорно заданных характеристик наблюдений: спектральных свойств случайных процессов помех, кинематических и динамических параметров среды и физических моделей сейсмических источников. Это приводит к гибкой вычислительной структуре алгоритмов, легко адаптируемой к изменениям указанных характеристик в различных условиях практического применения микросейсмического мониторинга.

Важную часть работы составляют результаты модельных экспериментов, проведенных с целью сравнения точности синтезированных алгоритмов микросейсмического мониторинга в условиях реальных помех, присутствующих на месторождениях углеводородов. Сравнение проводилось методом повторных независимых испытаний Монте-Карло, согласно которому статистические характеристики точности оценивания параметров микроземлетрясений определялись по результатам обработки большой совокупности модельных сейсмограмм поверхностной группы датчиков, представлявших собой смеси синтетической сейсмограммы от микросейсмического источника с записями техногенных сейсмических помех, зарегистрированных в ходе проведения ГРП на месторождении сланцевого газа. Каждая модельная сейсмограмма обрабатывалась различными алгоритмами с целью оценивания параметров синтетического источника. По полученным наборам оценок вычислялись статистические характеристики точности определения параметров источника, обеспечиваемые каждым из алгоритмов.

Результаты проведенных модельных экспериментов позволяют утверждать, что предложенные в работе статистически оптимальные алгоритмы микросейсмического мониторинга ГРП обеспечивают при сильных техногенных помехах существенно более высокую точность оценивания параметров микросейсмических источников, чем широко распространенный на практике алгоритм сейсмической эмиссионной томографии. По мнению авторов эти алгоритмы перспективны для практического использования, поскольку могут существенно повысить точность определения геометрии трещин, создаваемых в результате ГРП.

В современной технологии гидроразрыва пласта на нефтяных и газовых месторождениях применяется закачка в пласт больших объемов воды, смешанной с различными химическими жидкостями и мелкими твердыми частицами (пульпы). Пульпа под высоким давлением вызывает изменение напряжения в породах, содержащих нефть или газ, что приводит к возникновению микро-сеймичесих событий, излучающих сейсмические волны. Обнаружение этих событий, их локация (определение координат очагов событий) и интерпретация сейсмических волн от событий с целью определения механизмов их очагов осуществляется методами относительно нового раздела сейсмологии, получившего название микросейсмического мониторинга. Микросейсмический мониторинг гидроразрыва пласта экономически эффективен, поскольку позволяет оптимизировать добычу нефти и газа [Maxwell, Deere, 2010; Eisner et al., 2010].

Микросейсмический мониторинг осуществляется путем помещения сейсмических датчиков (например, геофонов) в специальные наблюда-

тельные скважины (скважинный мониторинг), или размещения групп таких датчиков на дневной поверхности или в неглубоких скважинах (поверхностный мониторинг). В скважинном мониторинге локация микросейсмических событий осуществляется с помощью процедур, аналогичных тем, что применяются в сейсмологии для локации удаленных землетрясений, т.е. используется итеративный метод Гейгера [Geiger, 1912]. Согласно этому методу вручную или автоматически определяются моменты вступления на скважин-ные датчики продольных и поперечных сейсмических волн от события, и координаты гипоцентра события находятся путем минимизации невязок времен пробега волн от предполагаемой точки расположения его очага до точек расположения датчиков [Maxwell, 2010]. Определение моментов вступления волн на датчики требует, чтобы регистрируемые сигналы события превосходили по интенсивности помехи, воздействующие на датчики: отношение сигнал—шум (ОСШ) должно удовлетворять условию: ОСШ > 1. Мо-ментная магнитуда (обозначаемая ниже Mw) событий, которые порождаются при ГРП, обычно очень мала и лежит в диапазоне —3 < Mw < —1 [Shapiro, 2008; Maxwell, 2010]. Если датчики, расположенные в наблюдательной скважине, находятся всего в нескольких сотнях метров от скважины, закачивающей воду в пласт, то для микросейсмических событий с магнитудами из указанного диапазона условие ОСШ > 1, как правило, выполняется.

Если сейсмические датчики расположены на дневной поверхности или в неглубоких скважинах, то регистрируемые ими сигналы от слабых микросейсмических событий практически полностью маскируются сильными шумами. Это объясняется большим удалением поверхностных датчиков от очагов событий с глубинами в несколько километров, а также более высоким уровнем сейсмических помех на поверхности [Thornton, 2012]. В работе [Ackerley, 2012] показано, что нижний порог для магнитуд микросейсмических событий, надежно обнаруживаемых на поверхности с помощью широкополосного мало шумящего сейсмометраТтШшт Compact равен Mw = —2, если сейсмический шум на поверхности соответствует модели естественных сейсмических шумов Петерсона NLNM (New Low Noise Model) [Peterson, 1993] и расстояние между сейсмометром и событием не превышает 2 км. В этом случае ОСШ = 1, и стандартные сейсмологические методы позволяют с достаточной надежностью обнаружить событие и измерить моменты вступления его сейсмических фаз. Для сейсмометров с более высоким уровнем шумов, чем у Trillium Compact, и для источников, удаленных на большие расстояния, реальный порог для магнитуд надежно обнаруживаемых событий, по крайней мере, вдвое выше: Mw = —1.

Из практики микросейсмического мониторинга известно, что доля сейсмической энергии от источника с магнитудой из указанного выше диапазона, достигающая поверхности и регистрируемая одиночным датчиком, составляет лишь несколько процентов от энергии шумов, воздействующих на этот датчик (ОСШ ~ 0.02 : 0.05).

Чтобы обнаруживать и лоцировать индуцируемые ГРП события при таких малых ОСШ необходимо разместить на поверхности над областью ГРП большое количество сейсмических датчиков, т.е. создать сейсмическую группу, способную аккумулировать энергию события на достаточно большой площади. Сейсмограммы, записанные датчиками группы, затем могут обрабатываться с помощью методик, которые широко используется в разведочной геофизике и определяются терминами "миграция" и "стекинг после временной коррекции".

Для поверхностного мониторинга ГРП применяются различные варианты методик миграции-стекинга (см., например, обзор [Duncan, Eisner, 2010]), Один из наиболее старых алгоритмов локации микросейсмических событий носит название эмиссионной сейсмической томографии (СЭТ). Алгоритм СЭТ использует в качестве оценки гипоцентра источника а

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком