CN103105622A - 基于数据库技术的同型波时差定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种地球物理勘探微地震监测技术，更具体地讲，涉及一种结合数据库技术，在保证计算精度的情况下，极大地提高计算效率的同型波时差定位方法。本发明的基于数据库的同型波时差定位方法主要包括如下步骤：(1)微地震发生空间区域的建立及网格剖分；(2)利用射线追踪算法将每个网格的P波或S波正演结果写入数据库；(3)结合实际微地震发生空间的方位角，判断第i个网格Volume_i(x，y，z)的方位角是否在微地震事件方位角所确定的范围内(θ_m-θ′，θ_m+θ′)，若在给定方位角(θ_m-θ′，θ_m+θ′)范围内，则确定为微地震可能发生空间点Volume_i(x，y，z，θ_m±θ′)；(4)利用公式

在微地震发生空间区域Volume中，对其方位角在(θ_m-θ′，θ_m+θ′)内的所有网格点Volume_i(x，y，z，θ_m±θ′)进行最优震源位置搜索。

Description

基于数据库技术的同型波时差定位方法

技术领域

本发明涉及一种地球物理勘探微地震监测技术，更具体地讲，涉及一种结合数据库技术的同型波时差定位方法。

背景技术

微地震监测就是通过观测、分析生产活动中所产生的微小地震事件来监测生产活动之影响、效果及地下状态的地球物理技术。该方法是在油气藏开采开发的压裂过程中，通过在地面或井中布置检波器，接收压裂施工中接收地层因压裂而产生人工裂缝时的微地震波(通称为微地震事件)。通过对接收到的微地震事件(P波或S波)进行一系列数据处理技术，将发生人工裂缝的空间位置反演出来，从而预测人工裂缝的发育趋势及空间展布，为压裂效果的评判及后期的油气田开采开发提供指导。现有的微地震监测定位反演的总体思路主要采取以下步骤：

步骤一：将检波器接收到微地震信号P波或S波进行波至时间拾取；

步骤二：根据测井、射孔资料建立区域精细速度模型；

步骤三：根据步骤二建立的速度模型，利用非线性反演算法进行一个震源的定位；

步骤四：重复步骤三，最终完成对一个微地震事件定位。

上述方法中，对于一个记录的微地震事件，需要给定一个初始点(即初始空间位置估计)，若初始震源位置与当前记录的微地震事件空间的偏差很大，则在进行上述步骤三中，因为判断标准而导致出现局部极值，使得定位出的震源空间位置与实际微地震事件的空间位置误差较大。

若选用逐点搜索对地下空间位置进行震源扫描，则对每个记录的微地震事件，都会引起数量庞大的正演初至迭代计算，过大的计算量必将导致处理时间的延长。

微地震监测最重要的一点是在压裂施工的现场进行实时监测(在压裂施工的同时，能够在很短的时间内，根据接收到的微地震事件，反演出该微地震事件的空间坐标)，只有这样，才能真正地发挥微地震监测对压裂效果进行实时的评判和指导作用。因此，微地震监测震源位置的反演是计算速度和精度必须兼顾的技术问题。若保证不了反演定位精度，则可能得出错误的评判；若保证不了反演定位的速度，则不能保证微地震监测的实时性。

发明内容

为了克服上述缺点，本发明公开一种基于数据库技术的同型波时差定位方法，其特征在于，包含以下几个步骤：(a)将通过正演得出的微地震波的初至时间写入初至时间数据库，初至时间数据库表示为 $\mathrm{Database}\left\{\right\{t_{\mathrm{1,1}}^k,t_{\mathrm{1,2},}^k\·\·\·t_{1,j}^k,\·\·\·t_{1,J-1}^k,t_{1,J}^k\},\·\·\·,\{t_{i,1}^k,t_{i,2}^k,\·\·\·t_{i,j}^k,\·\·\·t_{i,J-1}^k,t_{i,J}^k\},...,\{t_{I,1}^k,t_{I,2}^k,\·\·\·t_{I,j}^k,\·\·\·t_{I,J-1}^k,t_{I,J}^k\left\}\right\}$ ，其中，

表示利用射线追踪算法计算第j个检波器所接收到第i个震源的微地震波初至时间，i、j是自然数；(b)对监测的微地震事件进行波至时间拾取，建立该微地震事件的微地震波的波至时间集；(c)对监测的微地震事件进行方位角求取，取得该微地震事件的发生方位角；(d)用所述微地震事件的波至时间集和初至时间数据库进行微地震事件空间位置的反演。

当再次发生另一微地震事件时，重复步骤(b)至步骤(d)，从而完成对另一微地震事件的定位。

本发明的步骤(a)中的针对每个网格的正演的地震波的初至时间通过如下步骤而得出：(a1)根据微地震监测的测井资料和射孔数据建立地震波的精细速度模型；(a2)建立微地震发生空间区域，对该微地震事件发生空间区域按照笛卡尔坐标系中的x、y、z轴方向进行网格剖分；(a3)利用射线追踪算法和布置在地面或井中的检波器，正演出第i个网格所表示的微地震点的微地震波的初至时间。

本发明的步骤(d)还包括：(d1)根据式1，进行微地震发生方位区间的判别，|θ[Volume_i(x，y，z)θ_m|＜θ′……式1，将满足所述式1的网格确定为微地震可能发生空间点，其中，θ[Volume_i(x，y，z)]表示第i个网格的方位角，θ_m表示第m个微地震事件的方位角，m是自然数，θ′为预先给定的方位角误差；(d2)当第i个网格的方位角不在(θ_m-θ′，θ_m+θ′)范围内时，跳过该网格点；(d3)在所有微地震可能发生空间点，根据式2应用所述微地震事件的P波和S波的初至时间数据库和波至时间集进行最优微地震空间位置的求取， $P_m(x,y,z)=\mathrm{Min}\left(\underset{j=1}{\overset{J-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left[\right|(t_{i,j+1}^k-t_{i,j}^k)|-|(t_{m,j+1}^k-t_{m,j}^k)\left|\right]}^2\right)$ ……式2，其中，P_m(x，y，z)表示反演的震源位置，

表示第j个检波器所接收到的第m个微地震事件的地震波波至时间。

本发明地震波可以是P波。并且步骤(c)中的求取方位角的过程如下：(c1)对第m个事件的第j个检波器所接收到的P波水平分量，取一定长度的时窗，其中m是自然数；(c2)对该时窗内的P波x轴和y轴分量进行偏振分析，得到第m个微地震事件的第j个检波器所表示的方位角；(c3)求出所有检波器求取的方位角的平均值，得到第m个微地震事件的方位角。

利用P波地时差反演震源位置P_m(x，y，z)的过程如下：

设 $\mathrm{temp}=\underset{j=1}{\overset{J-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left[\right|(t_{i,j+1}^P-t_{i,j}^P)|-|(t_{m,j+1}^P-t_{m,j}^P)\left|\right]}^2,$

若 $\mathrm{temp}\&GreaterEqual;\underset{j=1}{\overset{J-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left[\right|(t_{i+1,j+1}^P-t_{i+1,j}^P)|-|(t_{m,j+1}^P-t_{m,j}^P)\left|\right]}^2,$ 则 $\mathrm{temp}=\underset{j=1}{\overset{J-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left[\right|(t_{i+1,j+1}^P-t_{i+1,j}^P)|-|(t_{m,j+1}^P-t_{m,j}^P)\left|\right]}^2;$ $\mathrm{temp}<\underset{j=1}{\overset{J-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left[\right|(t_{i+1,j+1}^P-t_{i+1,j}^P)|-|(t_{m,j+1}^P-t_{m,j}^P)\left|\right]}^2,$ 则temp保持不变，

如此循环，直到针对所有微地震可能发生空间点进行搜索，最终temp所对应的网格Volume_i(x，y，z)的坐标是第m个微地震事件的震源位置。

本发明的地震波可以是S波。并且步骤(c)中求取方位角的过程包括：(c1)对第m个事件的第j个检波器所接收到的S波的水平分量，取一定长度的时窗，其中m是自然数；(c2)对该时窗内的S波的x轴和y轴分量进行偏振分析，得到第m个微地震事件的第j个检波器所表示的方位角；(c3)求出所有检波器求取的方位角的平均值，在该平均值上加上90°，确定为第m个微地震事件的方位角。

利用S波地时差反演震源位置P_m(x，y，z)的过程如下：

设 $\mathrm{temp}=\underset{j=1}{\overset{J-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left[\right|(t_{i,j+1}^S-t_{i,j}^S)|-|(t_{m,j+1}^S-t_{m,j}^S)\left|\right]}^2,$

若 $\mathrm{temp}\&GreaterEqual;\underset{j=1}{\overset{J-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left[\right|(t_{i+1,j+1}^S-t_{i+1,j}^S)|-|(t_{m,j+1}^S-t_{m,j}^S)\left|\right]}^2,$ 则 $\mathrm{temp}=\underset{j=1}{\overset{J-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left[\right|(t_{i+1,j+1}^S-t_{i+1,j}^S)|-|(t_{m,j+1}^S-t_{m,j}^S)\left|\right]}^2;$ $\mathrm{temp}<\underset{j=1}{\overset{J-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left[\right|(t_{i+1,j+1}^S-t_{i+1,j}^S)|-|(t_{m,j+1}^S-t_{m,j}^S)\left|\right]}^2,$ 则temp保持不变。

如此循环，直到针对所有微地震可能发生空间点进行搜索最终temp所对应的网格Volume_i(x，y，z)的坐标是第m个微地震事件的震源位置。

作为射线追踪算法可使用试射法、迭代法或者两者结合的算法。

本发明的优点在于：根据实施例的基于数据库技术的同型波时差定位方法，本发明在正式压裂施工前或压裂施工的间隙，利用计算机资源将地下可能的震源区域进行网格划分，用建立好的速度模型，根据射线追踪算法正演地下可能微地震震源的P波或S波旅行时，并以数据库的形式记录P波或S波旅行时，在对任意一个记录的微地震事件进行震源位置反演时，只需要读取数据库中的P波或S波记录，而避免了大量重复地利用射线追踪方法进行初至计算，从而保证了定位的速度。

本发明还在在精度上进行了两重保证。充分考虑方位角θ_m的误差因素，将方位角θ_m的误差范围内通过公式搜索最优震源空间位置。避免了θ_m误差导致的P_m(x，y，z)空间误差以及仅使用准则而导致的最优震源位置的不确定性，最大限度地保证了定位的精度。

本发明的另一个优点在于：能对只有P波或S波的微地震事件进行定位反演。在微地震监测过程中，有时候只能接收到P波或S波，对于只能识别P波或S波的微地震事件，能够用该方法实现定位反演，避免微地震信息量的浪费。

附图说明

图1根据本发明的基于初至时间数据库而反演微地震事件的空间位置的流程图；

图2是制作本发明的初至时间数据库的流程图。

具体实施方式

首先，为了便于本领域人员理解，将解释几个名词。并且本发明中使用的i、j、m、M、I均是自然数。

初至时间：地震波波前到达某个观测点时，此点介质的质点开始发生振动的时刻称为波的初至时间，简称初至。

波至时间：有别于初至时间，一个微地震事件的地震波到达观测点的时间。以下，参照图1和图2详细说明本发明的利用同型波时差来反演微地震事件的地点的方法。

图2示出了根据本发明的建立初至时间数据库的详细过程。为了建立初至时间数据库，先根据微地震监测的测井资料，按照一定深度给定预定速度值的模式，设立地震波的初始速度模型，再根据射孔数据对初始速度模型V_k(x，y，z)进行校正，从而建立地震波的精细速度模型V_k(x，y，z)(S201)。其中，x，y，z分别表示笛卡尔坐标系中的x、y、z轴方向的坐标；k＝P或S，当k＝P时，表示P波，V_k(x，y，z)即为V_P(x，y，z)，当k＝S时，表示S波，V_k(x，y，z)即为V_S(x，y，z)。

然后在步骤202中依据微地震压裂设计中的压裂裂缝空间区域以及地震、地质特征，建立微地震震源(微地震事件发生的地下空间)区域。并且在微地震空间发生区域的基础上建立一个长方体空间，该长方体空间必须所属建立的微地震事件可能的空间发生区域全部包含在内，从而得到一个长方体结构的微地震发生空间区域Volume，计算出该空间区域Volume的x方向长度为L_x，y方向长度为L_y，z方向长度为L_z。

并且对微地震发生空间区域Volume按照x、y、z轴方向进行网格剖分。若x方向的网格单元为dx，y方向的网格单元为dy，z方向的网格单元为dz，则长度为L_x的x方向可以得到网格数为

则长度为L_y的y方向可以得到网格数为

则长度为L_z的z方向可以得到网格数为

其中，[]表示取整运算。则空间区域Volume可以划分的总体网格为I＝N_x·N_y·N_z，则第i个网格表示为Volume_i(x，y，z)。

$\mathrm{Volume}=\underset{i=1}{\overset{I}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{Volume}}_i(x,y,z)$ 式1

其中，Volume表示地层中可能发生地震的震源区域，Volume_i(x，y，z)表示对Volume进行网格剖分后的第i个网格。

建立了网格之后，假定地层中第i个网格Volume_i(x，y，z)是一个微地震震源点，利用射线追踪算法(例如试射法或者迭代法，或者试射法和迭代法两者结合的算法)，模拟出Volume_i(x，y，z)所表示的微地震点的P波或S波初至时间(S203)。

$\mathrm{RAY}({\mathrm{Volume}}_i(x,y,z),V_k(x,y,z),R_j(x,y,z))=t_{i,j}^k$ ……式2

其中，RAY()函数表示射线追踪算法；Volume_i(x，y，z)表示第i个震源网格；V_k(x，y，z)表示精细速度模型；R_j(x，y，z)表示第j个检波器的空间坐标；

表示利用射线追踪算法计算第j个检波器所接收到第i个震源的P波或S波初至时间为

最后将每个网格Volume_i(x，y，z)模拟的初至时间

写入数据库，从而得到了初至时间数据库(S204)。

$\mathrm{Database}\left\{\right\{t_{\mathrm{1,1}}^k,t_{\mathrm{1,2},}^k\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;t_{1,j}^k,\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;t_{1,J-1}^k,t_{1,J}^k\},\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,\{t_{i,1}^k,t_{i,2}^k,\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;t_{i,j}^k,\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;t_{i,J-1}^k,t_{i,J}^k\},...,\{t_{I,1}^k,t_{I,2}^k,\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;t_{I,j}^k,\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;t_{I,J-1}^k,t_{I,J}^k\left\}\right\}$

……式2

其中

表示J个检波器所接收到的来自第Volume_i(x，y，z)的P波或S波初至时间集，

$\mathrm{Database}\left\{\right\{t_{\mathrm{1,1}}^k,t_{\mathrm{1,2},}^k\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;t_{1,j}^k,\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;t_{1,J-1}^k,t_{1,J}^k\},\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,\{t_{i,1}^k,t_{i,2}^k,\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;t_{i,j}^k,\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;t_{i,J-1}^k,t_{i,J}^k\},...,\{t_{I,1}^k,t_{I,2}^k,\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;t_{I,j}^k,\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;t_{I,J-1}^k,t_{I,J}^k\left\}\right\}$ 表示I＝N_x·N_y·N_z个微地震源所模拟出的P波或S波初至时间数据库。

接下来，参照回到图1，当发生微地震事件时，通过布置在地面或井中的检波器对监测的微地震事件进行波至时间拾取，可分别得到第m个微地震事件的波至时间集

(S102)。其中，表示第j个检波器所接收到的第m个微地震事件的P波或S波波至时间；表示第m个微地震事件在J个检波器上接收到的P波或S波波至时间集，J表示检波器的个数。

当发生微地震事件时，利用检波器的信号同时对监测的微地震事件进行方位角求取(S103)，假设第m个微地震事件的发生方位角θ_m。

利用正演的微地震地震波的波至时间集和初至时间数据库进行微地震事件空间位置的反演(S104)。

根据式3来对进行微地震发生方位区间的判别，得到网格Volume中方位角在(θ_m-θ′，θ_m+θ′)范围内的微地震可能发生空间点Volume_i(x，y，z，θ_m±θ′)。

|θ[Volume_i(x，y，z)]-θ_m|＜θ′……式3

在根据式3得到的微地震发生空间区域Volume_i(x，y，z，θ_m±θ′)区域内，基于式4进行最优微地震空间位置的求取。

$P_m(x,y,z)=\mathrm{Min}\left(\underset{j=1}{\overset{J-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left[\right|(t_{i,j+1}^k-t_{i,j}^k)|-|(t_{m,j+1}^k-t_{m,j}^k)\left|\right]}^2\right)$ ……式4

其中，P_m(x，y，z)表示反演的震源位置，

表示第i个网格的第j+1道检波器与第j道检波器之间的P波或S波时差的绝对值；

表示第m个微地震的第j+1道检波器与第j道检波器之间的P波或S波时差的绝对值；

表示在给定方位角度(θ_m-θ′，θ_m+θ′)内搜索P波或S波道间时差的绝对值的平方和最小值。式4则表示，第m个微地震震源的空间坐标是 $\mathrm{Min}\left(\underset{j=1}{\overset{J-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left[\right|(t_{i,j+1}^k-t_{i,j}^k)|-|(t_{m,j+1}^k-t_{m,j}^k)\left|\right]}^2\right)$ 所确定的空间坐标。

当又发生另一个微地震事件时，利用已经制作好的初至时间数据库，并重复步骤S102至步骤S104，即可完成对该微地震事件的定位。因此，当发生M次微地震事件时，步骤S102至步骤S104也重复M次。

实施例1为基于数据库技术的P波时差定位方法。

下面将具体地描述根据示例实施例的P波时差定位方法。

首先，为了建立初至时间数据库(S101)，基于测井资料及射孔资料建立P波的精细速度模型V_P(x，y，z)(S201)。

然后，建立微地震发生空间区域和剖分网格(S202)。

在压裂施工设计中，会有一个给定的压裂发生区域。将该区域结合地震层位、断层特征进行范围拓展，得到一个更大范围的微地震震源区域。

建立一个长方体空间，该长方体空间Volume必须将微地震空间发生区域全部包含在内，计算出该长方体空间区域Volume的x方向长度为L_x，y方向长度为L_y，z方向长度为L_z。

然后按照x，y，z方向进行网格剖分。若x方向的网格单元为dx，y方向的网格单元为dy，z方向的网格单元为dz，则长度为L_x的x方向可以得到网格数为

则长度为L_y的y方向可以得到网格数为

则长度为L_z的z方向可以得到网格数为则空间区域Volume可以划分的总体网格为I＝N_x·N_y·N_z，则第i个网格表示为Volume_i(x，y，z)，I是自然数。

假定前面建立的微地震发生区域中的网格Volume_i(x，y，z)是一个微地震震源点，结合已经建立的精细P波速度模型V_P(x，y，z)，利用射线追踪算法 $\mathrm{RAY}({\mathrm{Volume}}_i(x,y,z),V_k(x,y,z),R_j(x,y,z))=t_{i,j}^k,$ 模拟震源点为Volume_i(x，y，z)的第j个检波器接收到的P波初至时间则J个检波器的P波初至时间记录表示为 $\left\{\begin{array}{ccccccc}{t}_{i,1}^P& t_{i,2}^P& \&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;& t_{i,j}^P& \&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;& t_{i,J-1}^P& t_{i,J}^P\end{array}\right\}\left(S203\right).$

将I＝N_x·N_y·N_z个网格的P波初至时间记录写入数据库.得到如下的初至时间数据库(S204)。

$\mathrm{Database}\left\{\right\{t_{\mathrm{1,1}}^P,t_{\mathrm{1,2},}^P\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;t_{1,j}^P,\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;t_{1,J-1}^P,t_{1,J}^P\},\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,\{t_{i,1}^P,t_{i,2}^P,\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;t_{i,j}^P,\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;t_{i,J-1}^P,t_{i,J}^P\},...,\{t_{I,1}^P,t_{I,2}^P,\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;t_{I,j}^P,\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;t_{I,J-1}^P,t_{I,J}^P\left\}\right\}.$

当发生微地震事件时，通过检波器对监测的第m个微地震事件进行P波波至拾取，可分别得到微地震事件的P波波至时间集

(S102)。

当发生微地震事件时，通过检波器的信号同时也对监测的第m个微地震事件进行方位角求取，可分别得到第m个微地震事件的发生方位角θ_m(S103)。

利用P波波至时间集和正演的初至时间数据库进行记录微地震源空间位置的搜索(S104)。

根据式|θ[Volume_i(x，y，z)-θ_m|＜θ′的准则，将第i个网格的空间方位角与第m个微地震事件发生方位进行判别，因θ_m在求取是存在一定的误差，因此，将误差范围设定为θ′，可以得到θ_m的真解区域为(θ_m-θ′，θ_m+θ′)。当网格Volume_i(x，y，z)的方位角在(θ_m-θ′，θ_m+θ′)范围内时，确定为微地震可能发生空间点Volume_i(x，y，z，θ_m±θ′)，并参与最优化微地震事件空间发生位置的搜索。若V_i(x，y，z)的方位角不在(θ_m-θ′，θ_m+θ′)内，则跳过该V_i(x，y，z)点。一般情况下，误差θ′的取值小于10°。

针对满足式|θ[Volume_i(x，y，z)]-θ_m|＜θ′而得到的微地震可能发生空间点Volume_i(x，y，z，θ_m±θ′)，根据 $\mathrm{Min}\left(\underset{j=1}{\overset{J-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left[\right|(t_{i,j+1}^P-t_{i,j}^P)|-|(t_{m,j+1}^P-t_{m,j}^P)\left|\right]}^2\right),$ 求取第m个微地震事件的最优震源位置搜索。其中

表示第i个网格的第j+1道与第i个网格的第j道的P波初至时差的绝对值，表示第m个微地震事件的第j+1道与的第j道的P波波至时差的绝对值。

设 $\mathrm{temp}=\underset{j=1}{\overset{J-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left[\right|(t_{i,j+1}^P-t_{i,j}^P)|-|(t_{m,j+1}^P-t_{m,j}^P)\left|\right]}^2,$

若 $\mathrm{temp}\&GreaterEqual;\underset{j=1}{\overset{J-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left[\right|(t_{i+1,j+1}^P-t_{i+1,j}^P)|-|(t_{m,j+1}^P-t_{m,j}^P)\left|\right]}^2,$ 则 $\mathrm{temp}=\underset{j=1}{\overset{J-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left[\right|(t_{i+1,j+1}^P-t_{i+1,j}^P)|-|(t_{m,j+1}^P-t_{m,j}^P)\left|\right]}^2;$ $\mathrm{temp}<\underset{j=1}{\overset{J-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left[\right|(t_{i+1,j+1}^P-t_{i+1,j}^P)|-|(t_{m,j+1}^P-t_{m,j}^P)\left|\right]}^2,$ 则temp保持不变。

如此循环，直到对微地震可能发生空间点Volume_i(x，y，z，θ_m±θ′)中的所有网格空间进行搜索，最终temp最小时所对应的网格空间Volume_i(x，y，z)即为第m个微地震事件的震源位置。

每次发生微地震事件时，循环步骤S102至步骤104，则完成利用P波时差对该震源的空间位置反演。

本发明的实施例2为基于数据库技术的S波时差定位方法。

下面将具体地描述根据示例实施例的S波时差定位方法。

参照图1，可知为了制作S波的初至时间数据库(S101)，根据测井资料及射孔资料建立S波的精细速度模型V_S(x，y，z)。

参照图2的步骤S202，在压裂施工设计中，会有一个给定的压裂发生区域。将该区域结合地震层位、断层特征进行范围拓展，得到一个更大范围的微地震空间发生区域。并建立一个必须将微地震空间发生区域全部包含在内的长方体空间，计算出该长方体空间区域Volume的x方向长度为L_x，y方向长度为L_y，z方向长度为L_z。

然后，对x，y，z方向进行网格剖分。若x方向的网格单元为dx，y方向的网格单元为dy，z方向的网格单元为dz，则长度为L_x的x方向可以得到网格数为

则长度为L_y的y方向可以得到网格数为

则长度为L_z的z方向可以得到网格数为

则空间区域Volume可以划分的总体网格为I＝N_x·N_y·N_z，则第i个网格表示为Volume_i(x，y，z)。

假定微地震发生区域网格Volume_i(x，y，z)是一个微地震震源点，结合S201建立的精细S波速度模型V_S(x，y，z)，利用公知的射线追踪算法 $\mathrm{RAY}({\mathrm{Volume}}_i(x,y,z),V_k(x,y,z),R_j(x,y,z))=t_{i,j}^k,$ 模拟震源点为Volume_i(x，y，z)的第j个检波器接收到的S波初至时间

则J个检波器的P波的波至时间记录为 $\left\{\begin{array}{ccccccc}{t}_{i,1}^S& t_{i,2}^S& \&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;& t_{i,j}^S& \&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;& t_{i,J-1}^S& t_{i,J}^S\end{array}\right\}\left(S203\right).$

最后将I＝N_x·N_y·N_z个网格的S波初至时间写入数据库，从而得到S波初至时间数据库(S204)。

$\mathrm{Database}\left\{\right\{t_{\mathrm{1,1}}^S,t_{\mathrm{1,2},}^S\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;t_{1,j}^S,\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;t_{1,J-1}^S,t_{1,J}^S\},\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,\{t_{i,1}^S,t_{i,2}^S,\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;t_{i,j}^S,\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;t_{i,J-1}^S,t_{i,J}^S\},...,\{t_{I,1}^S,t_{I,2}^S,\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;t_{I,j}^S,\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;t_{I,J-1}^S,t_{I,J}^S\left\}\right\}.$

当发生第m个微地震时，利用检波器对监测的第m个微地震事件进行S波波至拾取，可分别得到微地震事件的S波波至时间

当发生第m个微地震时，同时也求取该第m个微地震事件的方位角θ_m(S103)。

利用S波波至时间集和初至时间数据库来进行针对微地震源空间位置的搜索。

根据式|θ[Volume_i(x，y，z)-θ_m|＜θ′的准则，将第i个网格的空间方位角与第m个微地震事件发生方位进行判别，因θ_m在求取是存在一定的误差，因此，将误差范围设定为θ′，可以得到θ_m的真解区域为(θ_m-θ′，θ_m+θ′)，则Volume_i(x，y，z)的方位角在(θ_m-θ′，θ_m+θ′)内，则记为Volume_i(x，y，z，θ_m±θ′)，并参与(θ_m-θ′，θ_m+θ′)内最优化微地震事件空间发生位置的搜索。若V_i(x，y，z)的方位角不在(θ_m-θ′，θ_m+θ′)内，则跳过该V_i(x，y，z)点。一般情况下，误差θ′的取值小于10°。

在满足式|θ[Volume_i(x，y，z)]-θ_m|＜θ′而得到的微地震可能的发生空间位置Volume_i(x，y，z，θ_m±θ′)，根据 $\mathrm{Min}\left(\underset{j=1}{\overset{J-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left[\right|(t_{i,j+1}^S-t_{i,j}^S)|-|(t_{m,j+1}^S-t_{m,j}^S)\left|\right]}^2\right)$ 准则，求取空间Volume中，满足(θ_m-θ′，θ_m+θ′)方位角范围的第i个网格的第j+1道与第i个网格的第j道的S波初至时差

以及求取第m个微地震事件的第j+1道与第m个网格的第j道的S波波至时差

设 $\mathrm{temp}=\underset{j=1}{\overset{J-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left[\right|(t_{i,j+1}^S-t_{i,j}^S)|-|(t_{m,j+1}^S-t_{m,j}^S)\left|\right]}^2,$

若 $\mathrm{temp}\&GreaterEqual;\underset{j=1}{\overset{J-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left[\right|(t_{i+1,j+1}^S-t_{i+1,j}^S)|-|(t_{m,j+1}^S-t_{m,j}^S)\left|\right]}^2,$ 则 $\mathrm{temp}=\underset{j=1}{\overset{J-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left[\right|(t_{i+1,j+1}^S-t_{i+1,j}^S)|-|(t_{m,j+1}^S-t_{m,j}^S)\left|\right]}^2;$ $\mathrm{temp}<\underset{j=1}{\overset{J-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left[\right|(t_{i+1,j+1}^S-t_{i+1,j}^S)|-|(t_{m,j+1}^S-t_{m,j}^S)\left|\right]}^2,$ 则temp保持不变。

如此循环，直到对微地震可能发生空间点Volume_i(x，y，z，θ_m±θ′)中的所有网格空间进行搜索，最终temp最小时所对应的网格空间Volume_i(x，y，z)即为第m个微地震事件的震源位置。

当又发生另一个微地震事件时，循环步骤S102至步骤S104，则完成利用S波时差对另一个微地震的震源空间位置反演。

根据本发明的基于数据库技术的同型波时差定位方法，本发明在正式压裂施工前或压裂施工的间隙，利用计算机资源将地下可能的震源区域进行网格划分，用建立好的速度模型，根据射线追踪算法正演地下可能微地震震源的P波或S波旅行时，并以数据库的形式记录P波或S波旅行时，在对任意一个记录的微地震事件进行震源位置反演时，只需要读取数据库中的P波或S波记录，而避免了大量重复的利用射线追踪方法进行初至计算，从而保证了定位的速度。对一定的网格数量I＝N_x·N_y·N_z，假定一次压裂监测有m个微地震事件需要进行反演，若在压裂施工过程中，对每个记录的微地震事件进行网格初至的计算，则需要正演初至的次数为I·m＝N_x·N_y·N_z·m次。而用基于数据库技术的同型波时差定位方法，则仅需要在处理前利用空余的计算机资源对每个网格进行一次正演，从而使得在实际震源定位过程中，完全不需要再进行正演计算，因此，计算效率可提高约N_x·N_y·N_z·m倍。

本发明在在实时处理中，根据拾取的微地震事件的P波或S波初至时间以及该微地震事件的方位角θ_m。考虑到方位角θ_m的求取存在误差，且震源位置离射孔位置距离越远，则方位角θ_m误差导致的震源空间位置越大，因此首先根据该方位角θ_m建立一个微地震发生的空间角度区域Volume_i(x，y，z，θ_m±θ′)。然后，在该Volume_i(x，y，z，θ_m±θ′)区域内进行震源网格的搜索，求取该区域内

值最小的为微地震事件的空间位置。在精度上，进行了两重保证。充分考虑方位角θ_m的误差因素，将方位角θ_m误差范围内进行网格

值最小(即最优)震源空间位置的搜索。避免了θ_m误差导致的P_m(x，y，z)空间误差，以及仅使用

准则而导致的最优震源位置的不确定性，最大限度地保证了定位的精度。

Claims (10)

1.一种基于数据库技术的同型波时差定位方法，其特征在于，包含以下几个步骤：

(a)将通过正演得出的地震波的初至时间写入初至时间数据库，初至时间数据库表示为

$\mathrm{Database}\left\{\right\{t_{\mathrm{1,1}}^k,t_{\mathrm{1,2},}^k\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;t_{1,j}^k,\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;t_{1,J-1}^k,t_{1,J}^k\},\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,\{t_{i,1}^k,t_{i,2}^k,\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;t_{i,j}^k,\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;t_{i,J-1}^k,t_{i,J}^k\},...,\{t_{I,1}^k,t_{I,2}^k,\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;t_{I,j}^k,\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;t_{I,J-1}^k,t_{I,J}^k\left\}\right\}$ ，其中，

表示利用射线追踪算法计算第j个检波器所接收到第i个震源的地震波初至时间，i、j是自然数；

(b)对监测的微地震事件进行波至时间拾取，建立该微地震事件的地震波的波至时间集；

(c)对监测的微地震事件进行方位角求取，取得该微地震事件的发生方位角；

(d)用所述微地震事件的波至时间集和初至时间数据库进行微地震事件空间位置的反演。

2.根据权利要求1所述的同型波时差定位方法，其特征在于，当再次发生另一微地震事件时，重复步骤(b)至步骤(d)，从而完成对另一微地震事件的定位。

3.根据权利要求1所述的同型波时差定位方法，其特征在于，步骤(a)中的针对每个网格的正演的地震波的初至时间通过如下步骤而得出：

(a1)根据微地震监测的测井资料和射孔数据建立地震波的精细速度模型；

(a2)建立微地震发生空间区域，对该微地震事件发生空间区域按照笛卡尔坐标系中的x、y、z轴方向进行网格剖分；

(a3)利用射线追踪算法和布置在地面或井中的检波器，正演出第i个网格所表示的微地震点的微地震波的初至时间。

4.根据权利要求1所述的同型波时差定位方法，其特征在于，

步骤(d)包括：

(d1)根据式1，进行微地震发生方位区间的判别，

|θ[Volume_i(x，y，z)-θ_m|＜θ′……式1，将满足所述式1的网格确定为微地震可能发生空间点，其中，θ[Volume_i(x，y，z)]表示第i个网格的方位角，θ_m表示第m个微地震事件的方位角，m是自然数，θ′为预先给定的方位角误差；

(d2)当第i个网格的方位角不在(θ_m-θ′，θ_m+θ′)范围内时，跳过该网格点；

(d3)在所有微地震可能发生空间点，根据式2应用所述微地震事件的P波和S波的初至时间数据库和波至时间集进行最优微地震空间位置的求取，

$P_m(x,y,z)=\mathrm{Min}\left(\underset{j=1}{\overset{J-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left[\right|(t_{i,j+1}^k-t_{i,j}^k)|-|(t_{m,j+1}^k-t_{m,j}^k)\left|\right]}^2\right)$ ……式2，

其中，P_m(x，y，z)表示反演的震源位置，

表示第j个检波器所接收到的第m个微地震事件的微地震波波至时间。

5.根据权利要求1所述的同型波时差定位方法，其特征在于，地震波是P波。

6.根据权利要求5所述的同型波时差定位方法，其特征在于，步骤(c)中的求取方位角的过程如下：

(c1)对第m个事件的第j个检波器所接收到的P波水平分量，取一定长度的时窗，其中m是自然数；

(c2)对该时窗内的P波x轴和y轴分量进行偏振分析，得到第m个微地震事件的第j个检波器所表示的方位角；

(c3)求出所有检波器求取的方位角的平均值，得到第m个微地震事件的方位角。

7.根据权利要求5所述的同型波时差定位方法，其特征在于，利用P波的时差反演震源位置P_m(x，y，z)的过程如下：

设 $\mathrm{temp}=\underset{j=1}{\overset{J-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left[\right|(t_{i,j+1}^P-t_{i,j}^P)|-|(t_{m,j+1}^P-t_{m,j}^P)\left|\right]}^2,$

若 $\mathrm{temp}\&GreaterEqual;\underset{j=1}{\overset{J-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left[\right|(t_{i+1,j+1}^P-t_{i+1,j}^P)|-|(t_{m,j+1}^P-t_{m,j}^P)\left|\right]}^2,$ 则 $\mathrm{temp}=\underset{j=1}{\overset{J-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left[\right|(t_{i+1,j+1}^P-t_{i+1,j}^P)|-|(t_{m,j+1}^P-t_{m,j}^P)\left|\right]}^2;$ $\mathrm{temp}<\underset{j=1}{\overset{J-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left[\right|(t_{i+1,j+1}^P-t_{i+1,j}^P)|-|(t_{m,j+1}^P-t_{m,j}^P)\left|\right]}^2,$ 则temp保持不变，

如此循环，直到针对所有微地震可能发生空间点进行搜索，最终temp所对应的网格Volume_i(x，y，z)的坐标是第m个微地震事件的震源位置。

8.根据权利要求1所述的同型波时差定位方法，其特征在于，地震波是S波。

9.根据权利要求8所述的同型波时差定位方法，其特征在于，步骤(c)中求取方位角的过程包括：

(c1)对第m个事件的第j个检波器所接收到的S波的水平分量，取一定长度的时窗，其中m是自然数；

(c2)对该时窗内的S波的x轴和y轴分量进行偏振分析，得到第m个微地震事件的第j个检波器所表示的方位角；

(c3)求出所有检波器求取的方位角的平均值，在该平均值上加上90°，确定为第m个微地震事件的方位角。

10.根据权利要求1所述的同型波时差定位方法，其特征在于，利用S波的时差反演震源位置P_m(x，y，z)的过程如下：

设 $\mathrm{temp}=\underset{j=1}{\overset{J-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left[\right|(t_{i,j+1}^S-t_{i,j}^S)|-|(t_{m,j+1}^S-t_{m,j}^S)\left|\right]}^2,$

若 $\mathrm{temp}\&GreaterEqual;\underset{j=1}{\overset{J-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left[\right|(t_{i+1,j+1}^S-t_{i+1,j}^S)|-|(t_{m,j+1}^S-t_{m,j}^S)\left|\right]}^2,$ 则 $\mathrm{temp}=\underset{j=1}{\overset{J-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left[\right|(t_{i+1,j+1}^S-t_{i+1,j}^S)|-|(t_{m,j+1}^S-t_{m,j}^S)\left|\right]}^2;$ $\mathrm{temp}<\underset{j=1}{\overset{J-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left[\right|(t_{i+1,j+1}^S-t_{i+1,j}^S)|-|(t_{m,j+1}^S-t_{m,j}^S)\left|\right]}^2,$ 则temp保持不变，

如此循环，直到针对所有微地震可能发生空间点进行搜索最终temp所对应的网格Volume_i(x，y，z)的坐标是第m个微地震事件的震源位置。

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