Микросейсмический мониторинг в азимутально анизотропных средах. Точность локации и возможность определения параметров анизотропии

Яскевич Сергей Владимирович; Дучков Антон Альбертович; Андерссон Фредрик

МИКРОСЕЙСМИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ

В АЗИМУТАЛЬНО АНИЗОТРОПНЫХ СРЕДАХ. ТОЧНОСТЬ ЛОКАЦИИ И ВОЗМОЖНОСТЬ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ АНИЗОТРОПИИ

Сергей Владимирович Яскевич

Новосибирский государственный университет, 630090, Россия, г. Новосибирск, ул. Пирогова, 2, аспирант, тел. (923)1338719, e-mail: [email protected]

Антон Альбертович Дучков

Новосибирский государственный университет, 630090, Россия, г. Новосибирск, ул. Пирогова, 2, доцент

Фредрик Андерссон

Лундский университет, 117 221 00, Швеция, г. Лунд, доцент

Работа посвящена обработке скважинных данных микросейсмического мониторинга гидроразрыва пласта (регистрации сейсмических волн от событий, связанных с ростом трещины). Исследуется точность локации гипоцентров микросейсмических событий с одновременным уточнением параметров трансверсально изотропной среды с горизонтальной осью симметрии. Параметры азимутально анизотропной среды могут быть восстановлены в мик-росейсмической постановке при использовании разных типов волн, что дает дополнительную информацию о свойствах среды. Для анизотропных моделей обработка данных в предположении изотропии может приводить к смещенным оценкам геометрии трещины.

Ключевые слова: микросейсмический мониторинг, анизотропия, гидроразрыв пласта, локация, скоростной анализ.

MICROSEISMIC MONITORING IN AZIMUTHALLY

ANISOTROPIC MEDIA, LOCATION ROBUSTNESS

AND FEASIBILITY TO DETERMINE ANISOTROPIC PARAMETERS

Sergey V. Yaskevich

Novosibirsk State University, 630090, Russia, Novosibirsk, Pirogova str. 2, PhD student, tel. (923)1338719, e-mail: [email protected]

Anton A. Duchkov

Novosibirsk State University, 630090, Novosibirsk, Pirogova str. 2, associate professor Fredrik Andersson

Lund University, 117 221 00, Sweden, associate professor

In this work we address to processing of borehole microseismic hydrofrac monitoring data. (recording seismic waves from events caused by fracture development). We study uncertainty of event hypocenter location and anisotropic parameter estimation of a transversely isotropic medium with horizontal symmetry axis. One can reliably estimate parameters of azimuthally anisotropic model if different wave types are used. These parameters provide additional information about properties of rock formation. We show that anisotropic model assumption while processing data from anisotropic media can lead to biased estimates of fracture azimuths.

Key words: microseismic, anisotropy, seismic, hydraulic fracturing, location, velocity analysis.

Введение

Разработка месторождений полезных ископаемых часто приводит к возникновению в среде сейсмических событий. Причины и физика возникновения такой сейсмичности могут быть весьма различными. Так, ее наблюдают при разработке шахт, проведении закачки в пласт и добычи из него, гидроразрыве пласта и др. Проведение наблюдений и обработку данных в таких случаях в современной геофизике называют микросейсмическим мониторингом. Актуальной задачей микросейсмического мониторинга гидроразрыва пласта (ГРП) является восстановление геометрических параметров образующейся трещины или системы трещин. Предполагается, что при ГРП сейсмические события происходят в области образования трещины в процессе ее роста. Локации этой сейсмичности позволяют судить о геометрии трещин. Детальное понимание геометрии образовавшихся трещин важно для оценки экономической эффективности ГРП.

Микросейсмический мониторинг чаще всего используется при ГРП в сланцах, для которых известна выраженная анизотропия. Поэтому использование анизотропных моделей является естественным в данном случае. Эффективность такого подхода обсуждается в ряде работ (Verdon et al., 2009; Grechka and Duchkov, 2011; Grechka and Yaskevich, 2013).

Одной из применяемых систем наблюдения является расстановка трехкомпонентных сейсмоприемников в близлежащей субвертикальной скважине. Основным преимуществом такой системы является низкий уровень помех, что позволяет определять времена прихода продольной и поперечных волн. Стандартный подход к обработке данных состоит в построении начальной скоростной модели по данным акустического каротажа, которая затем калибруется по записям перфораций (с известными координатами источника). Затем проводится локация гипоцентров событий в фиксированной модели.

Обычно записи перфораций не позволяют найти параметры азимутальной анизотропии среды ввиду узконаправленной геометрии, поэтому мы следуем подходу (Grechka and Duchkov, 2011), выполняя обработку всего объема микро-сейсмических данных с одновременной локацией событий и уточнением анизотропных параметров модели.

В работе исследуется простейший случай азимутальной анизотропии -трансверсально изотропная среда с горизонтальной осью симметрии (HTI). Решаются следующие задачи:

• определить какие систематические ошибки возникают при обработке данных от анизотропной среды в предположении изотропии;

• определить, можно ли достоверно определить параметры HTI среды и оценить точность определения этих параметров.

Метод

Мы осуществляем локацию микросейсмических событий одновременно с определением параметров анизотропной среды. Азимут (направление от скважины на событие) определяется по поляризации прямой продольной волны. Исследуется случай однородной НТ1 среды и используется Томсеновская параметризация среды с = { УР0 , У50, г, 8, у} где УР0,У50 скорости продольной и поперечной волн в направлении оси симметрии, а - азимут горизонтальной оси симметрии, - параметры анизотропии. Также неизвестными являются ко-

ординаты событий хе и времена их возникновения те где индекс е = 1,..., Ы, N -общее число событий. Таким образом, весь вектор неизвестных параметров имеет вид: т = { Уро, У5о , г, 8, у, а, Хе, те}.

Для решения обратной кинематической задачи используется оптимизационная постановка, т.е. минимизируем функцию невязки:

| | гоЬз _ьзуп | | 2 _^ты,

где - измеренные времена прихода волн, - времена прихода, рассчитанные лучевым методом (двухточечное лучевое трассирование) для модели с модельными параметрами т. Синтетические времена пробега рассчитываются посредством двухточечного лучевого трассирования.

Пример

Для моделирования микросейсмического мониторинга были рассчитаны времена прихода продольной и поперечных волн от ряда микросейсмических событий (большие закрашенные точки) выстроенных в линию, см. рис. 1 (имитация трещины, растущей при ГРП). Система наблюдений состоит из 11 трехкомпонентных датчиков, расположенных в вертикальной скважине в непосредственной близости к событиям, расстояние между приборами 50 м. В качестве иллюстрации представлены результаты, полученные для НТ1 модели с параметрами Ур0 = 3.0 кт/я, У80 = 2.0 кт/я, е = 0.2, 5 = 0.2, у = 0.2. Инверсия проводилась для большего разнообразия моделей, и были получены схожие результаты.

Оценка точности осуществлялась за счет инверсии зашумленных данных, чтобы получить представление о том, как шум, который может находиться в данных, влияет на получаемые результаты. При инверсии в синтетически рассчитанные времена вносился случайный шум со стандартным отклонением 1 мс (это заведомо превышает предполагаемую точность снятия данных). В азимуты, которые брались из лучевой геометрии, вносился шум со стандартным отклонением 5° (общепринятая оценка точности поляризационного анализа в микросейсмическом мониторинге). Было рассчитано 50 реализаций инверсии, для различных реализаций шума во временах и азимутах, в изотропной модели (где в качестве поперечной волны инвертировалась быстрая поперечная волна Б1) и анизотропной НТ1 модели.

На рис. 2 не закрашенными кружками показаны результаты локации для 50 различных реализаций шума в данных; слева показаны результаты инверсии, проводившейся для анизотропной (НТ1) модели, справа - для инверсии в предположении изотропии.

Рис. 1. Синтетический пример. Слева - система наблюдения в трехмерном пространстве, большие закрашенные точки - гипоцентры событий, треугольники -положения приемников, тонкие линии - лучи. Справа - данные времен пробега прямых волн (Р, S1, S2), разные маркеры отвечают разным событиям.

Рис. 2. Результаты локации (маленькие, не закрашенные точки) для 50 различных реализаций шума, истинное положение событий - большие закрашенные точки. Слева - результаты инверсии для анизотропной (НТ1) модели, справа - инверсия в предположении изотропии. Ось симметрии направлена по азимуту 30°. Видно, что в случае использования изотропной модели центры облаков смещены от действительного расположения гипоцентров событий (большие закрашенные точки). Этого не наблюдается при инверсии с одновременным определением анизотропных параметров НТ1 среды Анизотропные параметры были определены со достаточно высокой точностью: УР0 = 3.0 ± 0.13 кт/я, У80 = 2.0 ± 0.08 кт/я, е = 0.17 ± 0.1, 5 = 0.2 ± 0.04, у = 0.2 ± 0.025, а = 28.5 ± 7.9 °.

Выводы

В работе выполнялась кинематическая инверсия синтетических данных микросейсмического мониторинга. В отличие от стандартного подхода мы проводим одновременную локацию гипоцентров микросейсмических событий и оценку анизотропных параметров среды. По результатам тестовых экспериментов можно сделать следующие основные выводы.

• Параметры азимутально анизотропной среды могут быть восстановлены в микросейсмической постановке при использовании разных типов волн, что дает дополнительную информацию о свойствах среды.

• Для анизотропных моделей обработка данных в предположении изотропии может приводить к смещенным оценкам геометрии образовавшихся при ГРП трещин, правда ошибка поляризационного анализ размазывает этот эффект.

• Учет анизотропии среды при инверсии позволяет уменьшить значение функционала невязки по сравнению со случаем изотропной параметризации.

Благодарности. Авторы выражают благодарность В. Гречке за предоставленные программы лучевого трассирования в анизотропной среде. Работа проводилась при частичной поддержке интеграционного проекта СО РАН № 127 и Шведского фонда по международному сотрудничеству в науке и высшем образовании (the work was partly supported by the Swedish Foundation for International Cooperation in Research and Higher Education).

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

Grechka V. and Duchkov A., 2011, Narrow - angle representations of the phase and group velocities and their applications in anisotropic velocity-model building for microseismic monitoring: Geophysics, 76 (б), WC125-WC140.

Grechka V. and Yaskevich S., 2013, Inversion of microseismic data for triclinic velocity models: Geophysical Prospecting, in press.

Verdon J. P. Kendall J.-M. and Wustefeld A., 2009, Imaging fractures and sedimentary fabrics using shear wave splitting measurements made on passive seismic data: Geophysical Journal International, 179 (2), 1245-1254.