一种微地震双力偶震源的加载方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于地震勘探基础应用领域，具体涉及一种微地震双力偶震源的加载方 法，通过模拟结果来认识微地震压裂波场特征和微地震震源形成机理，最终给微地震震源 的反演问题提供技术指导。
【背景技术】
[0002] 微地震监测技术通过对储层压裂引发的微地震震源成像可以显示压裂裂隙的延 伸方向、高度、长度、不对称性等属性，有助于帮助油藏开发人员监测压裂施工效果，优化压 裂施工设计、调整开发及注水井网部署，微地震监测技术是非常规油气资源特别是页岩气 开发的关键技术之一。
[0003] 对于微地震震源机理的研究经历了很长的时间，1923年日本一名学者首先提出了 震源的单力偶力系，即在地震瞬间，震源处突然作用一个力偶，使断层两盘发生相对运动， 扰动周围介质，辐射出地震波，用作用于震源处的一些集中力系来解释震源辐射地震波的 特征。此后，日本另一位学者又提出双力偶力系，若在一个小的平面断层上发生一个突然的 纯剪切错动，则会产生地震波辐射，这样的剪切错动震源产生的远场地震波与在震源处突 然有一个双力偶的作用产生的地震波相同，由于地震学的震源理论与事实证明双力偶力系 比较接近实际，因此现在比较常用的震源模型为双力偶力系点源模型。
[0004] 为了监测水力压裂和弄清楚与地下介质有关的地震响应，通过加载双力偶源进行 正演模拟生成合成数据来验证野外地震数据和在油藏范围内监测流体过程，运用模拟结果 来分析不同双力偶源参数对应的波场特征，为后续的微地震震源机制解（运用实际资料反 演地层压裂产状：震源等级，走向（0)，倾角（S)和滑动角（λ))提供理论指导，因此实现 基于波动方程有限差分数值模拟的微地震双力偶源的加载非常有意义。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种微地震双力偶震源 的加载方法，针对微地震特殊的震源机制，运用波动方程有限差分数值模拟技术，实现双力 偶震源的加载，并且给出模拟结果，在此基础上，进行不同双力偶源参数的数值模拟，统计 其对应的波场特征，为实际资料微地震震源机制解（震源等级，走向（^)，倾角（S)和滑 动角（λ))提供理论指导，震源参数的确定就可以确定裂缝的走向和方位，进一步可以确 定压裂的有效体积，最终达到完成产量的评估作用。
[0006] 本发明是通过以下技术方案实现的：
[0007] -种微地震双力偶震源的加载方法，基于波动方程有限差分数值模拟实现微地震 双力偶源的加载；
[0008] 所述方法包括：
[0009] (1)确定断层面参数：走向φ、倾角s和滑动角λ ;
[0010] (2)根据所述断层面参数建立地震矩张量；
[0011] (3)由所述地震矩张量的各个元素值获得双力偶源的加载方式；
[0012] (4)通过集中力组合加载方式完成双力偶源的加载；
[0013] (5)完成双力偶源波场模拟。
[0014] 所述步骤（1)中，走向Φ是由正北至断层线顺时针量取的角度（左脚在下盘，右 脚在上盘），范围为0°至360° ;倾角δ是断层面与地平面间的夹角，范围为〇°至90° ; 滑动角λ是以断层走向为基础，向上为正，向下为负，范围为-180°至+180°。
[0015] 所述步骤（2)是这样实现的：
[0016] 地震矩张量为3X3形式的矩阵，共有9个元素，表示如下：
[0018] 其中，MlS表示一个力偶，Μη表示作用于1轴、平行于1轴的力偶；Μ 12表示作用于2 轴、平行于1轴的力偶；Μ13表示作用于3轴、平行于1轴的力偶；其他元素以此类推；
[0019] 所述地震矩张量与断层面参数的表达式如下：
[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] 由于具有对称性（满足角动量守恒），因此只需这6个独立矩张量。
[0028] 所述步骤（3)是这样实现的（针对二维情形-X〇Z平面内）：
[0029] 以水平方向和垂直方向间隔分别为dx和dz对速度介质进行网格状剖分，得到水 平和垂直网格数为nx和nz ;
[0030] 选定震源点（nsx，nsz)，则双力偶的四个力作用的网格分别为（nsx-1, nsz)、 (nsx+1, nsz)、（nsx, nsz_l)和（nsx, nsz+1)；
[0031] 在所述步骤（2)得到的地震矩张量的各个元素值中，如果元素值不等于0,则表示 这个作用力存在，如果元素值等于〇,则表示此作用力不存在；根据各个元素的意义获取元 素值不等于0的元素对应的位置和方向。
[0032] 所述步骤（4)是这样实现的：
[0033] 对步骤（3)得到的4个网格点加载作用力函数，具体如下：
[0034] 从步骤（3)确定的4个网格点中找到元素值不等于0的网格点的位置，这些即为 加载作用力的网格点位置，在每一个加载作用力的网格点位置处加载一个作用力，在作用 力规定时间内，其值的大小都是所述作用力函数值。
[0035] 所述步骤（5)是这样实现的：
[0036] 采用基于波动方程有限差分数值模拟得到地震波场记录，具体步骤如下：
[0037] A)获得各向同性介质中的二维一阶速度-应力弹性波方程，即波动方程，如下所 示；
[0039]
分别为质点振动速度在x和z方向上的分量；uz、u z 分别为位移U在X和z方向上的分量；τ χχ和τ ZZ为质点在X和Z方向上的正应力；τ XZ为 质点在xz平面内的剪切力；P为介质密度；
[0040] B)基于所述波动方程完成交错网格有限差分算法；
[0041] 结合交错网格有限差分算法，得到所述波动方程的2N阶空间差分精度、二阶时间 差分精度交错网格高阶有限差分格式，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方向的网格间距；At表示时间步长
，其它表示形式以此类推。
[0048] 所述作用力函数使用雷克子波函数。
[0049] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明利用断层面的参数得到地震矩张 量，进而得到双力偶源的加载方式，通过不同双力偶源的模拟，进行微地震震源机理的研 究；通过对波场的模拟，进行微地震波场特征研究；为实际微地震震源机制解的反演问题 提供技术指导，能更好地进行压裂有效裂缝的评估，效果明显。
【附图说明】
[0050] 图1为地震矩张量各元素的示意图；
[0051] 图2为断层面的走向、倾角及滑动角示意图；
[0052] 图3 (a)为垂直作用力
[0053] 图3(b)为水平作用力
[0054] 图3(c)为倾斜作用力；
[0055] 图4为双力偶源加载示意图；
[0056] 图5为双力偶震源离散网格加载方式；
[0057] 图6a双力偶源模拟结果照明的Z分量
[0058] 图6b为快照的Z分量；
[0059] 图6c为离地面中心偏移距为500m的单道记录的Z分量；
[0060] 图7本发明方法的步骤框图。
[0061] 图8弹性波交错网格差分示意图
【具体实施方式】
[0062] 下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
[0063] (1)地震矩张量的建立
[0064] 在远场和点源近似的情况下，在观测点X处质点位移可以简化为：
[0065] un(x, t) =Mkl*Gnk>1 (1)
[0066] 式中un(x, t)为质点位移函数、Mkl为地震矩张量、Gnk,:为格林函数。星号为两个 时间函数的褶积运算，其中：
[0068] 式中mkld Σ具有力矩的量纲。
[0069] 地震矩张量一般可以表示为3X3形式的矩阵，共有9个元素，各元素的意义如图 1所示：
[0071] 在各向同性介质中法向单位矢量为η、面积为S的断层上，发生的滑动（位错失 量）D的位错源所对应的地震矩为：
[0072] Mkl = { λ D · η δ kl+ μ [Dink+DknJ} S ⑷
[0073] 假设D矢量限定在沿断层面任意方向，并设断层面的走向、倾角和滑动角分别为 Φ、δ、λ (如图2所示），则有：
[0074] n = (-sin δ sin Φ , sin δ cos Φ , -cos δ ) (5)
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