一種微地震雙力偶震源的加載方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于地震勘探基礎(chǔ)應(yīng)用領(lǐng)域，具體涉及一種微地震雙力偶震源的加載方 法，通過模擬結(jié)果來認(rèn)識微地震壓裂波場特征和微地震震源形成機(jī)理，最終給微地震震源 的反演問題提供技術(shù)指導(dǎo)。
【背景技術(shù)】
[0002] 微地震監(jiān)測技術(shù)通過對儲層壓裂引發(fā)的微地震震源成像可以顯示壓裂裂隙的延 伸方向、高度、長度、不對稱性等屬性，有助于幫助油藏開發(fā)人員監(jiān)測壓裂施工效果，優(yōu)化壓 裂施工設(shè)計、調(diào)整開發(fā)及注水井網(wǎng)部署，微地震監(jiān)測技術(shù)是非常規(guī)油氣資源特別是頁巖氣 開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)之一。
[0003] 對于微地震震源機(jī)理的研究經(jīng)歷了很長的時間，1923年日本一名學(xué)者首先提出了 震源的單力偶力系，即在地震瞬間，震源處突然作用一個力偶，使斷層兩盤發(fā)生相對運(yùn)動， 擾動周圍介質(zhì)，輻射出地震波，用作用于震源處的一些集中力系來解釋震源輻射地震波的 特征。此后，日本另一位學(xué)者又提出雙力偶力系，若在一個小的平面斷層上發(fā)生一個突然的 純剪切錯動，則會產(chǎn)生地震波輻射，這樣的剪切錯動震源產(chǎn)生的遠(yuǎn)場地震波與在震源處突 然有一個雙力偶的作用產(chǎn)生的地震波相同，由于地震學(xué)的震源理論與事實(shí)證明雙力偶力系 比較接近實(shí)際，因此現(xiàn)在比較常用的震源模型為雙力偶力系點(diǎn)源模型。
[0004] 為了監(jiān)測水力壓裂和弄清楚與地下介質(zhì)有關(guān)的地震響應(yīng)，通過加載雙力偶源進(jìn)行 正演模擬生成合成數(shù)據(jù)來驗(yàn)證野外地震數(shù)據(jù)和在油藏范圍內(nèi)監(jiān)測流體過程，運(yùn)用模擬結(jié)果 來分析不同雙力偶源參數(shù)對應(yīng)的波場特征，為后續(xù)的微地震震源機(jī)制解（運(yùn)用實(shí)際資料反 演地層壓裂產(chǎn)狀：震源等級，走向（0)，傾角（S)和滑動角（λ))提供理論指導(dǎo)，因此實(shí)現(xiàn) 基于波動方程有限差分?jǐn)?shù)值模擬的微地震雙力偶源的加載非常有意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的難題，提供一種微地震雙力偶震源 的加載方法，針對微地震特殊的震源機(jī)制，運(yùn)用波動方程有限差分?jǐn)?shù)值模擬技術(shù)，實(shí)現(xiàn)雙力 偶震源的加載，并且給出模擬結(jié)果，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行不同雙力偶源參數(shù)的數(shù)值模擬，統(tǒng)計 其對應(yīng)的波場特征，為實(shí)際資料微地震震源機(jī)制解（震源等級，走向（^)，傾角（S)和滑 動角（λ))提供理論指導(dǎo)，震源參數(shù)的確定就可以確定裂縫的走向和方位，進(jìn)一步可以確 定壓裂的有效體積，最終達(dá)到完成產(chǎn)量的評估作用。
[0006] 本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0007] -種微地震雙力偶震源的加載方法，基于波動方程有限差分?jǐn)?shù)值模擬實(shí)現(xiàn)微地震 雙力偶源的加載；
[0008] 所述方法包括：
[0009] (1)確定斷層面參數(shù)：走向φ、傾角s和滑動角λ ;
[0010] (2)根據(jù)所述斷層面參數(shù)建立地震矩張量；
[0011] (3)由所述地震矩張量的各個元素值獲得雙力偶源的加載方式；
[0012] (4)通過集中力組合加載方式完成雙力偶源的加載；
[0013] (5)完成雙力偶源波場模擬。
[0014] 所述步驟（1)中，走向Φ是由正北至斷層線順時針量取的角度（左腳在下盤，右 腳在上盤），范圍為0°至360° ;傾角δ是斷層面與地平面間的夾角，范圍為〇°至90° ; 滑動角λ是以斷層走向?yàn)榛A(chǔ)，向上為正，向下為負(fù)，范圍為-180°至+180°。
[0015] 所述步驟（2)是這樣實(shí)現(xiàn)的：
[0016] 地震矩張量為3X3形式的矩陣，共有9個元素，表示如下：
[0018] 其中，MlS表示一個力偶，Μη表示作用于1軸、平行于1軸的力偶；Μ 12表示作用于2 軸、平行于1軸的力偶；Μ13表示作用于3軸、平行于1軸的力偶；其他元素以此類推；
[0019] 所述地震矩張量與斷層面參數(shù)的表達(dá)式如下：
[0020] Mn = _M0 (sin δ cos λ sin2 Φ +sin2 δ sin λ sin2 Φ)
[0021] M22 = M0 (sin δ cos λ sin2 Φ -sin2 δ sin λ cos2 Φ)
[0022] M33 = Mosin 2 δ sin λ = - (Mn+M22)
[0024] M13 = _M 0 (cos δ cos λ cos Φ +cos2 δ sin λ sin Φ)
[0025] M23 = _M 0 (cos δ cos λ sin Φ _cos2 δ sin λ cos Φ)
[0026] 其中，M。表示地震力矩。
[0027] 由于具有對稱性（滿足角動量守恒），因此只需這6個獨(dú)立矩張量。
[0028] 所述步驟（3)是這樣實(shí)現(xiàn)的（針對二維情形-X〇Z平面內(nèi)）：
[0029] 以水平方向和垂直方向間隔分別為dx和dz對速度介質(zhì)進(jìn)行網(wǎng)格狀剖分，得到水 平和垂直網(wǎng)格數(shù)為nx和nz ;
[0030] 選定震源點(diǎn)（nsx，nsz)，則雙力偶的四個力作用的網(wǎng)格分別為（nsx-1, nsz)、 (nsx+1, nsz)、（nsx, nsz_l)和（nsx, nsz+1)；
[0031] 在所述步驟（2)得到的地震矩張量的各個元素值中，如果元素值不等于0,則表示 這個作用力存在，如果元素值等于〇,則表示此作用力不存在；根據(jù)各個元素的意義獲取元 素值不等于0的元素對應(yīng)的位置和方向。
[0032] 所述步驟（4)是這樣實(shí)現(xiàn)的：
[0033] 對步驟（3)得到的4個網(wǎng)格點(diǎn)加載作用力函數(shù)，具體如下：
[0034] 從步驟（3)確定的4個網(wǎng)格點(diǎn)中找到元素值不等于0的網(wǎng)格點(diǎn)的位置，這些即為 加載作用力的網(wǎng)格點(diǎn)位置，在每一個加載作用力的網(wǎng)格點(diǎn)位置處加載一個作用力，在作用 力規(guī)定時間內(nèi)，其值的大小都是所述作用力函數(shù)值。
[0035] 所述步驟（5)是這樣實(shí)現(xiàn)的：
[0036] 采用基于波動方程有限差分?jǐn)?shù)值模擬得到地震波場記錄，具體步驟如下：
[0037] A)獲得各向同性介質(zhì)中的二維一階速度-應(yīng)力彈性波方程，即波動方程，如下所 示；
[0039]
分別為質(zhì)點(diǎn)振動速度在x和z方向上的分量；uz、u z 分別為位移U在X和z方向上的分量；τ χχ和τ ZZ為質(zhì)點(diǎn)在X和Z方向上的正應(yīng)力；τ XZ為 質(zhì)點(diǎn)在xz平面內(nèi)的剪切力；P為介質(zhì)密度；
[0040] B)基于所述波動方程完成交錯網(wǎng)格有限差分算法；
[0041] 結(jié)合交錯網(wǎng)格有限差分算法，得到所述波動方程的2N階空間差分精度、二階時間 差分精度交錯網(wǎng)格高階有限差分格式，即
[0047] 式中$表示沿X方向做向前差分；表示沿X方向做向后差分；Δχ，Λ z表示X， ζ方向的網(wǎng)格間距；At表示時間步長
，其它表示形式以此類推。
[0048] 所述作用力函數(shù)使用雷克子波函數(shù)。
[0049] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明利用斷層面的參數(shù)得到地震矩張 量，進(jìn)而得到雙力偶源的加載方式，通過不同雙力偶源的模擬，進(jìn)行微地震震源機(jī)理的研 究；通過對波場的模擬，進(jìn)行微地震波場特征研究；為實(shí)際微地震震源機(jī)制解的反演問題 提供技術(shù)指導(dǎo)，能更好地進(jìn)行壓裂有效裂縫的評估，效果明顯。
【附圖說明】
[0050] 圖1為地震矩張量各元素的示意圖；
[0051] 圖2為斷層面的走向、傾角及滑動角示意圖；
[0052] 圖3 (a)為垂直作用力
[0053] 圖3(b)為水平作用力
[0054] 圖3(c)為傾斜作用力；
[0055] 圖4為雙力偶源加載示意圖；
[0056] 圖5為雙力偶震源離散網(wǎng)格加載方式；
[0057] 圖6a雙力偶源模擬結(jié)果照明的Z分量
[0058] 圖6b為快照的Z分量；
[0059] 圖6c為離地面中心偏移距為500m的單道記錄的Z分量；
[0060] 圖7本發(fā)明方法的步驟框圖。
[0061] 圖8彈性波交錯網(wǎng)格差分示意圖
【具體實(shí)施方式】
[0062] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述：
[0063] (1)地震矩張量的建立
[0064] 在遠(yuǎn)場和點(diǎn)源近似的情況下，在觀測點(diǎn)X處質(zhì)點(diǎn)位移可以簡化為：
[0065] un(x, t) =Mkl*Gnk>1 (1)
[0066] 式中un(x, t)為質(zhì)點(diǎn)位移函數(shù)、Mkl為地震矩張量、Gnk,:為格林函數(shù)。星號為兩個 時間函數(shù)的褶積運(yùn)算，其中：
[0068] 式中mkld Σ具有力矩的量綱。
[0069] 地震矩張量一般可以表示為3X3形式的矩陣，共有9個元素，各元素的意義如圖 1所示：
[0071] 在各向同性介質(zhì)中法向單位矢量為η、面積為S的斷層上，發(fā)生的滑動（位錯失 量）D的位錯源所對應(yīng)的地震矩為：
[0072] Mkl = { λ D · η δ kl+ μ [Dink+DknJ} S ⑷
[0073] 假設(shè)D矢量限定在沿斷層面任意方向，并設(shè)斷層面的走向、傾角和滑動角分別為 Φ、δ、λ (如圖2所示），則有：
[0074] n = (-sin δ sin Φ , sin δ cos Φ , -cos δ ) (5)
[