水力裂缝缝长的预测方法、裂缝网络建模的方法及装置

摘要

本公开提供了一种水力裂缝缝长的预测方法、裂缝网络建模的方法及装置。预测方法包括：S1、获取微震事件的时空分布，并根据微震事件的震源机制信息确定裂缝网络连接准则，进行水力裂缝解释，以生成水力裂缝网络模型，并获得主缝和/或支缝的位置及裂缝长度；S2、在生成水力裂缝网络模型的基础上，提取主缝和/或支缝事件点的三维地震属性；以及S3、在完成三维地震属性提取的基础上，利用贝叶斯定理进行水力裂缝缝长预测。本公开能够准确地描述复杂的水力裂缝网络，并且不仅对微地震事件发生的区域有较好的解释，还能够外推到其它没有微地震事件的区域，对下一步压裂作业产生实质性指导。

说明书

技术领域

本公开属于油气开发技术，具体来讲，涉及一种水力裂缝缝长的预测方法、裂缝网络建模的方法及装置。

背景技术

我国非常规油气资源丰富，该类资源的高效开发能为国家能源安全提供重要保障。由于致密砂岩、页岩为代表的非常规油气储层具有低渗、低孔特征，通过水力压裂方式建立地下高渗流通道是有效开采该类资源的必要技术手段。水力压裂设计和压后评估过程中，水力裂缝参数分析是重要环节，而裂缝扩展影响因素较多、影响机理复杂，综合利用地质、工程数据开展水力裂缝参数预测分析是该领域的重要发展方向。

目前采用的基于微地震监测数据处理解释水力裂缝参数分析方法，一般包括在事件定位结果的基础上绘制微地震监测的主要成果图即诱发微地震震源分布俯视图和垂直剖面图，但这种静态图只是简单地勾画水力裂缝主缝走向和半缝长，无法准确地描述复杂的水力裂缝网络。

发明内容

本公开的目的在于解决现有技术存在的上述不足中的至少一项。例如，本公开的目的之一在于提供一种能够准确地描述复杂的水力裂缝网络，并准确预测水力裂缝缝长的方法和装置。

为了实现上述目的，本公开的目的之一在于提供一种一种水力裂缝缝长的预测方法，所述预测方法包括：S1、获取微震事件的时空分布，并根据微震事件的震源机制信息确定裂缝网络连接准则，进行水力裂缝解释，以生成水力裂缝网络模型，并获得主缝和/或支缝的位置及裂缝长度；S2、在生成水力裂缝网络模型的基础上，提取主缝和/或支缝事件点的三维地震属性；以及S3、在完成三维地震属性提取的基础上，利用贝叶斯定理进行水力裂缝缝长预测。

可选地，所述依据事件的震源机制信息确定裂缝网络连接准则的步骤可包括：通过微地震事件的震源机制信息获得水力裂缝的开启和扩展方向，从而确定微地震事件连接至已存在裂缝的路径和角度，其中，所述微震事件的震源机制信息包括走向、倾角和滑移角。

可选地，可在所述生成水力裂缝网络的步骤中，同时使用最长延伸距离约束、事件点最大间距约束和矩震级约束中的一个或多个约束条件。

可选地，所述提取三维地震属性的步骤可包括：S210、根据水力压裂施工参数将构成主缝和支缝的微震事件划分成N个数据集，N为正整数；S220、根据所述N个数据集的每个数据集中微震事件点的位置，沿裂缝长度来提取地震属性对应空间位置的相应三维地震属性，从而获得主缝和/或支缝事件点的三维地震属性数据，所述三维地震属性包括三维地震岩性指示属性、三维地震叠前弹性属性和三维地震叠后几何属性中的一种或多种。

可选地，所述水力压裂施工参数可包括液量、压力、砂比和排量中的一个或多个，所述三维地震岩性指示属性包括波阻抗和/或泥质含量，所述三维地震叠前弹性属性包括泊松比、纵横波速度比Vp/Vs和杨氏模量中的一种或多种，所述三维地震叠后几何属性包括相干、曲率和蚂蚁体中的一种或多种。

可选地，利用贝叶斯定理进行裂缝缝长预测的步骤可包括：S310、计算一个或多个三维地震属性的主缝和/或支缝的概率分布，所述概率分布包括先验概率、似然概率和边际分布概率；S320、利用利用贝叶斯定理计算主缝和/或支缝分布的后验概率分布，获得未知区域水力裂缝的概率分布平面图；以及S330、对主缝和支缝分布概率等值线成图，获得主缝和/或支缝等概率平面图，在所述平面图上测量得到水力裂缝的缝长。

本公开的另一方面提供了一种水力裂缝缝长的预测装置，所述预测装置包括：水力裂缝网络生成模块，被配置为根据微震事件的时空分布，依据事件的震源机制信息确定裂缝网络连接准则，进行水力裂缝解释，生成水力裂缝网络，并获得主缝和/或支缝的位置及裂缝长度；三维地震属性提取模块，用于提取主缝和/或支缝事件点的三维地震属性；以及水力裂缝缝长预测模块，被配置为利用贝叶斯定理进行水力裂缝缝长预测。

本公开的又一方面提供了一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，其特征在于，当所述计算机程序在被处理器执行时实现如上所述的水力裂缝缝长的预测方法。

本公开的又一方面提供了一种计算机设备，所述计算机设备包括：处理器；以及存储器，存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时，实现如上所述的水力裂缝缝长的预测方法。

本公开的又一方面提供了一种利用微震事件对水力裂缝网络建模的方法，所述方法包括：获取微震事件的时空分布，并根据微震事件的震源机制信息确定裂缝网络连接准则，进行水力裂缝解释，以生成水力裂缝网络，其中，所述依据事件的震源机制信息确定裂缝网络连接准则的步骤包括：通过微地震事件的震源机制信息获得水力裂缝的开启和扩展方向，从而确定微地震事件连接至已存在裂缝的路径和角度，所述微震事件的震源机制信息包括走向、倾角和滑移角；其中，在所述生成水力裂缝网络的步骤中，同时使用最长延伸距离约束、事件点最大间距约束和矩震级约束中的一个或多个约束条件。

与现有技术相比，本公开的水力裂缝缝长的预测方法和装置，能够准确地描述复杂的水力裂缝网络，并且不仅对微地震事件发生的区域有较好的解释，还能够外推到其它没有微地震事件的区域，对下一步压裂作业产生实质性指导。

附图说明

图1示出了本公开的示例性实施例的水力裂缝缝长的预测方法的流程图。

具体实施方式

提供参照附图的以下描述以帮助对由权利要求及其等同物限定的本公开的实施例的全面理解。包括各种特定细节以帮助理解，但这些细节仅被视为是示例性的。因此，本领域的普通技术人员将认识到在不脱离本公开的范围和精神的情况下，可对描述于此的实施例进行各种改变和修改。此外，为了清楚和简洁，省略对公知的功能和结构的描述。

需要说明的是，本公开的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本公开的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。以下实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在此需要说明的是，在本公开中出现的“若干项之中的至少一项”均表示包含“该若干项中的任意一项”、“该若干项中的任意多项的组合”、“该若干项的全体”这三类并列的情况。例如“包括A和B之中的至少一个”即包括如下三种并列的情况：(1)包括A；(2)包括B；(3)包括A和B。又例如“执行步骤一和步骤二之中的至少一个”，即表示如下三种并列的情况：(1)执行步骤一；(2)执行步骤二；(3)执行步骤一和步骤二。

在下文中，根据本公开的各种实施例，将参照附图对本公开的方法、装置以及系统进行详细描述。

申请人认为：在目前采用的基于微地震监测数据处理解释水力裂缝参数分析方法的基础上，还需要对微震事件在时间域和空间域解释，深入了解多孔弹性介质的行为和属性，最终给出水力裂缝的裂缝位置、裂缝网络的几何尺寸、最大地应力方向、储层改造体积(SRV)等参数。另外当前微地震解释成果未充分结合三维地震属性数据和压裂工程数据，无法有效外推到其他没有微地震事件的区域，从而对下一步压裂设计水力裂缝预测分析提供实质性指导。

本公开提供一种水力裂缝缝长的预测方法，主要包括裂缝建模、地震属性提取和裂缝预测三个步骤中的至少一个，如图1所示，该预测方法主要由裂缝建模、地震属性提取和裂缝预测三个步骤构成，具体地，该方法可以包括：

步骤S1、获取微震事件的时空分布(时间顺序和空间分布)，并根据微震事件的震源机制信息确定裂缝网络连接准则，进行水力裂缝解释，以生成水力裂缝网络模型，并获得主缝(主要裂缝)和/或支缝(次要裂缝)的位置及裂缝长度(又称为“缝长”)。

这里，微震事件可包括人为爆炸或刺激地质结构(如水力压裂)产生的爆炸。与自然发生的地震事件相比，人为事件通常较小或“微小”。所产生的微震事件数据，例如，每个微震事件的位置(x,y,z)和/或每个微震事件发送或记录的时间(t)可由地震检波器记录。

在示例中，依据事件的震源机制信息确定裂缝网络连接准则的步骤可以包括：通过微地震事件的震源机制信息获得水力裂缝的开启和扩展方向，从而确定微地震事件连接至已存在裂缝的路径和角度。其中，微震事件属性包含震源机制信息。微震事件的震源机制信息包括走向(strike)、倾角(dip)和滑移角(rake)。

裂缝网络(也称为“裂缝骨架”)及其属性(例如裂缝长度、应力、大小、各向异性、时间、分支等级、到种子的距离、每个单元的事件密度、每个单元的裂缝数量等)可以传输到网格体或网格。网格体可以基于一组微震事件M来构建，或者实时地，随着候选事件集M中的每个微震事件被记录、接收或分析而构建。

对于给定的已经包含震源空间坐标(x,y,z)、发震时刻(t)以及震源机制信息的一组M个微震事件点集P(x,y,z,t,strike,dip,rake)，基于微震事件震源机制的水力裂缝网络解释可以由以下步骤组成：

S110、按时间t顺序排列微震事件P(x,y,z,t)。

S120、定义网络N的源(种子)点。当事件集M包含井眼射孔信息、压裂段、射孔簇信息时，应用它来定义种子点，至种子点的距离可定义为0。也就是说，可以使用处理间隔(是否密实)或射孔簇来定义初始源点。这些源点具有相关的时间t，该时间对应于爆破、处理或射孔操作开始的时间。如果集合M不包括井处理信息，则可以将在时间上首先发生的微地震事件用于定义初始源点。对于每个源点，可以将定义到源点的距离的属性设置为0。

S130、定义连接微震事件P(x,y,z,t)和裂缝网络N之间的连接准则d(P,N)。

a.基于震源机制的事件-网络连接准则为t时刻微震事件以特定方位即震源机制走向(strike)的角度与网络进行连接，裂缝倾角为震源机制倾角(dip)。

b.如果以该走向，事件与网络无法相交，事件与网络可以不连接，也可调整走向将事件连接至网络中使该调整量最小的事件点。

c.其它的连接准则包括事件和网络属性的组合(如段长度、应力、震级等)或更大的全局尺度属性，如天然裂缝集方位以及/或者各向异性准则。

d.也可包含非连接准则，这些准则基于事件和网络属性，如最大距离、最小延迟时间、地质沉积相或地层单元等。

S140、根据连接准则d(P,N)，确定事件集M中第i个微震事件P(x,y,z,t

S150、生成c和P之间的路径。

S160、从事件集M中移除微震事件P，并将微震事件P加入网络集N，定义微震事件P点在t

S170、增量从i至i+1，重复步骤S140-S170，直到事件集M中没有微震事件P。

S180、重复上述步骤，遍历所有微震事件点，最终形成复杂的水力裂缝网络。

在生成水力裂缝网络的步骤中，可同时使用最长延伸距离约束、事件点最大间距约束和矩震级约束中的一个或多个约束条件。以上所有步骤均可通过算法编程实现。

水力裂缝的开启和扩展方向，以及以何种路径、角度连接至原有裂缝，可以通过微地震事件的震源机制信息获得。微震事件的震源机制(包含走向、倾角和滑移角)可以反映裂缝扩展方向，从而反映事件以何种路径和角度扩展或连接至现存裂缝。本公开根据微震事件的时间-空间属性，采用基于震源机制走向和倾角信息的裂缝网络连接准则，同时使用最长延伸距离、事件点最大间距和矩震级等一个或多个约束条件，构建基于震源机制的水力裂缝网络，并获得主缝和支缝位置及长度。该建模方法更符合实际物理模型，这也意味着裂缝建模准确性的提升，可为后续地震属性提取和裂缝预测提供更为准确的输入数据。

步骤S2、在生成水力裂缝网络模型的基础上，提取主缝和/或支缝事件点的三维地震属性。

其中，三维地震属性包括三维地震岩性指示属性、三维地震叠前弹性属性和三维地震叠后几何属性中的一种或多种。三维地震岩性指示属性包括波阻抗和/或泥质含量。三维地震叠前弹性属性包括泊松比、纵横波速度比Vp/Vs和杨氏模量中的一种或多种。三维地震叠后几何属性包括相干、曲率和蚂蚁体中的一种或多种。

在示例中，提取三维地震属性的步骤具体可以包括：

S210、根据水力压裂施工参数将构成主缝和支缝的微震事件划分成N个数据集，N为正整数，即，N＝1，2，3…。水力压裂施工参数可以包括液量、压力、砂比和排量中的一个或多个。

S220、根据所述N个数据集的每个数据集中微震事件点的位置，沿裂缝长度来提取地震属性对应空间位置的相应三维地震属性，提取的三维地震属性可以是一个或多个属性，这样就获得了获得主缝和/或支缝事件点的三维地震属性数据。

另外，上述步骤S1仅利用微震事件自身的属性，而无法有效利用三维地震属性对裂缝网络进行约束，即对微地震事件主控因素的分析只是在定性层面进行解释，这种解释带有极强的主观性，且解释结果往往具有区域限制性，造成了仅对微地震事件发生的区域有较好的解释，但是无法外推到其它没有微地震事件的区域，从而很难对下一步压裂作业产生实质性指导。本申请提案中基于贝叶斯定理进行裂缝(缝长)预测方法不仅利用微震事件自身的属性，还可综合利用一个或多个地震属性对裂缝网络进行约束，不仅对微地震事件发生的区域有较好的解释，而且可以突破区域限制外推到其它没有微地震事件的区域，从而对下一步压裂作业提供实质性指导。

步骤S3、在完成三维地震属性提取的基础上，利用贝叶斯定理进行水力裂缝缝长(长度)预测。

在示例中，利用贝叶斯定理进行裂缝缝长预测的步骤具体可以包括：

S310、计算一个或多个三维地震属性的主缝和/或支缝的概率分布，所述概率分布包括先验概率、似然概率和边际分布概率。

S320、利用利用贝叶斯定理计算主缝和/或支缝分布的后验概率分布，此即为未知区域水力裂缝的概率分布平面图。

S330、对主缝和支缝分布概率等值线成图，获得主缝和/或支缝等概率平面图，可在平面图上测量得到水力裂缝的缝长。

在本公开中，裂缝预测中最重要的算法是贝叶斯定理。贝叶斯定理是统计学的一个重要分支，它是由统计学家Thomas Bayes根据许多特例推导而成，后来被许多研究者推广为一普遍的定理。贝叶斯推断是从概率学的角度将先验的信息与新的信息结合起来对后验信息进行推断。对地球物理而言，由于地下地质情况的非均质性和相对稀少的取样，未取样点的地质与地球物理特征存在着不确定性。当可以构建出未采样点和地震属性多变量之间的概率分布时，便可直接预测局部不确定性。在实际场景中，将不同数据源在概率预测中的整合是一个难点。贝叶斯定理的最大优势就是可以将不同类型的数据进行整合。即利用贝叶斯推断可将多种地震属性信息进行综合来对微地震事件发生的主控因素进行预测与量化分析。

贝叶斯定理是关于随机事件A和B的条件概率的一则定理，在数学上，贝叶斯定理的定义为：

P(A|B)＝P(B|A)·P(A)/P(B) (1)

其中：P(A|B)为在给定事件B的条件下事件A发生的概率，称作后验概率；P(B|A)为给定事件A的条件下事件B发生的概率称作似然概率；P(A)为事件A的先验概率；P(B)是事件B的概率。

利用贝叶斯推断综合地震属性对微地震事件主控因素分析的主要步骤可分为以下几步，这里以地震纵横波速度比Vp/Vs与水力压裂过程中发生的微地震事件为例对贝叶斯推断的原理进行说明。

步骤S321、计算先验概率P(A)

将构成主缝和支缝的微震事件划分为A和-A类微震事件点。根据对微地震事件的解释结果，我们可以获得主缝微地震事件与支缝微地震事件的比例，用概率表示为P(A)为主缝微地震事件发生的概率，P(-A)为支缝微地震事件发生的概率。

步骤S322、计算似然概率P(B|A)

由于微地震事件发生的位置是已知的，所以不难获取在微地震事件发生处地震属性纵横波速度比(Vp/Vs)的直方图。接下来是将直方图转化为概率密度函数。可以采用核密度估计(KDE)的方法。KDE是一种非参数化方法，用于估计数据少的随机变量的分布。每一个数据都被一个核代替，分布的估计值是核的总和。考虑属性y的一组n个数据(y

在式(2)中，h是一个平滑参数。关于平滑参数的选择有很多方式，例如，可以为Silverman的经验法则。高斯核函数K

在式(3)和(4)中，

这里一般采用从给定属性如Vp/Vs数据中计算出在所有主缝微地震事件点处的Vp/Vs数值的概率分布，这个概率分布记作P(B|A)。需要预测的是在已知Vp/Vs分布的情况下，主缝微地震事件在整个研究区内的发生概率分布，记作P(B|A)。

步骤S323、计算边际分布概率P(B)

边际分布概率P(B)在数值上等于两个似然概率的加和。

步骤S324、计算后验概率P(A|B)

将步骤S321至S323中计算的结果带入式(1)中便可计算出在知道地震纵横波速度比分布的情况下预测主缝微地震事件在全区发育的后验概率分布情况。

本申请基于贝叶斯定理进行裂缝(缝长)预测方法能够准确地描述复杂的水力裂缝网络，并且不仅利用微震事件自身的属性，还可综合利用一个或多个地震属性对裂缝网络进行约束，不仅对微地震事件发生的区域有较好的解释，而且可以突破区域限制外推到其它没有微地震事件的区域，从而对下一步压裂作业提供实质性指导。

根据本公开的示例性实施例还提供一种水力裂缝缝长的预测装置，预测装置包括：水力裂缝网络生成模块，被配置为根据微震事件的时空分布，依据事件的震源机制信息确定裂缝网络连接准则，进行水力裂缝解释，生成水力裂缝网络，并获得主缝和/或支缝的位置及裂缝长度；三维地震属性提取模块，用于提取主缝和/或支缝事件点的三维地震属性；以及水力裂缝缝长预测模块，被配置为利用贝叶斯定理进行水力裂缝缝长预测。

根据本公开的示例性实施例还提供一种利用微震事件对水力裂缝网络建模的方法，方法包括：获取微震事件的时空分布，并根据微震事件的震源机制信息确定裂缝网络连接准则，进行水力裂缝解释，以生成水力裂缝网络，其中，所述依据事件的震源机制信息确定裂缝网络连接准则的步骤包括：通过微地震事件的震源机制信息获得水力裂缝的开启和扩展方向，从而确定微地震事件连接至已存在裂缝的路径和角度，所述微震事件的震源机制信息包括走向、倾角和滑移角；其中，在所述生成水力裂缝网络的步骤中，同时使用最长延伸距离约束、事件点最大间距约束和矩震级约束中的一个或多个约束条件。本公开的裂缝建模方法更符合实际物理模型，这也意味着裂缝建模准确性的提升，可为后续地震属性提取和裂缝预测提供更为准确的输入数据。

根据本公开的示例性实施例还提供一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质。该计算机可读存储介质存储有当被处理器执行时使得处理器执行根据本公开的方法的计算机程序。该计算机可读记录介质是可存储由计算机系统读出的数据的任意数据存储装置。计算机可读记录介质的示例包括：只读存储器、随机存取存储器、只读光盘、磁带、软盘、光数据存储装置和载波(诸如经有线或无线传输路径通过互联网的数据传输)。

根据本公开的示例性实施例还提供一种计算机设备。该计算机设备包括处理器和存储器。存储器用于存储计算机程序。所述计算机程序被处理器执行使得处理器执行根据本公开的方法的计算机程序。

本公开所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在上面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而没有所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组件、材料等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、材料或者操作以避免模糊本公开的各方面。