发明内容
为了克服在现有技术中的上述或其他缺点为此本发明提供一种基于数据库技术的纵横波时差定位方法。
本发明一种基于数据库技术的纵横波时差定位方法,其特征在于,包括如下步骤:(a)将微地震发生空间区域的网格的模拟的P波和S波的初至时间集写入初至时间数据库;(b)对监测的微地震事件进行波至时间拾取,以得到微地震事件的P波和S波的波至时间集;(c)对监测的微地震事件进行方位角求取,结合方位角误差范围及空间网格区域,得到满足方位角范围内的空间网格;(d)用已有的P波和S波的初至时间数据库中,搜索出该方位角的空间网格区域,结合微地震事件的波至事件集,进行微地震事件的空间位置的反演。
当再次发生另一微地震事件时,重复步骤(b)至步骤(d),从而完成对该另一微地震事件的定位。
本发明的步骤(a)中的P波和S波初至时间集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微地震事件的P波速度模型V
P(x,y,z)和S波精细速度模型V
S(x,y,z),其中,x,y,z分别表示笛卡尔坐标系中的x,y,z方向的坐标;(a2)建立微地震事件发生空间区域,对该微地震事件发生空间区域按照x,y,z方向进行网格剖分,从而得到I个网格,其中,第i个网格表示为Volume
i(x,y,z),I是自然数;(a3)利用射线追踪算法和布置在地面或井中的检波器,模拟出第i个网格Volume
i(x,y,z)所表示的微地震点的P波和S波初至时间集
i是小于或等于I的自然数。
本发明步骤(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P波或S波的两个水平分量取一定长度的时窗;(c2)对该时窗内的P波或S波的x和y分量进行偏振分析,可得第m个微地震事件的第j个检波器所表示的方位角;(c3)针对J个检波器的方位角求平均,则得到第m个微地震事件的方位角,其中m是自然数。
当选用P波的方位角时,则求出的P波方位角是微地震事件的真实方位角。
当选用S波的方位角时,则微地震事件的方位角与该S波的求出的方位角有90°的角度差。
本发明的步骤(d)包括:(d1)根据式1进行微地震发生方位区间的判别,
|θ[Volumei(x,y,z)]-θm|<θ′......式1,其中,θ[Volumei(x,y,z)]表示网格Volumei(x,y,z)的方位角,θm表示第m个微地震事件的方位角,θ′为预先给定的方位角误差,若网格Voluumi(x,y,z)的方位角不在(θm-θ′,θm+θ′)内,则跳过该网格点;(d2)在微地震事件发生空间区域中,对所有方位角满足(θm-θ′,θm+θ′)的空间网格Volumei(x,y,z,θm±θ′),根据式2并应用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,
......式2
其中,P
m(x,y,z)表示反演的震源位置,
分别表示第j个检波器接收到的第i个震源的P波和S波初至时间;
分别表示第j个检波器接收到的第m个微地震事件的P波和S波波至时间,Volume
i(x,y,z,θ
m±θ′)是Volume
i(x,y,z)网格的方位角满足(θ
m-θ′,θ
m+θ′)的限制条件。
反演震源位置Pm(x,y,z)的详细过程如下:
设
若 则
若 则temp保持不变,
如此循环,直到完成对上述所有满足Volumei(x,y,z,θm±θ′)网格的搜索,最终temp最小时所对应的网格空间Volumei(x,y,z)即为第m个微地震事件的震源位置。
本发明所应用的射线追踪算法是使用试射法或迭代法,或者是结合试射法和迭代法的算法。
为了实现上述目的,根据本发明的基于数据库技术的纵横波时差定位方法的优点如下: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波和S波初至时间,并以数据库的形式记录P波和S波记录初至时间,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波和S波记录,而避免了在压裂施工过程中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。
本发明在精度上,进行了两重保证。充分考虑θ
m的误差因素,将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。
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详细说明根据本发明的基于数据库技术的纵横波时差定位方法。
首先,建立初至时间数据库,即,将微地震发生空间区域的I个网格的模拟的P波和S波的初至时间集写入初至时间数据库(S101)。
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。为了制作初至时间数据库,按照一定深度给定一个速度值的模式设立地震波的初始速度模型Vk(x,y,z),再根据射孔数据对初始速度模型Vk(x,y,z)进行校正,从而建立纵波(P波)速度模型VP(x,y,z)和横波(S波)精细速度模型VS(x,y,z)(S201)。其中,x,y,z分别表示笛卡尔坐标系中的x、y、z三个坐标。
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。根据前面设定的微地震震源区域建立一个长方体空间,该长方体空间Volume必须将步骤S201建立的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。并且沿着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)(S202)。
..................式1
其中,i、I是自然数,Volume表示地层中可能发生震源区域,Volumei(x,y,z)表示对Volume进行网格剖分后的第i个网格。
假定微地震发生空间区域中第i个网格Volume
i(x,y,z)是一个微地震震源点,结合S201建立的精细P波速度模型V
P(x,y,z)和精细S波速度模型V
S(x,y,z),利用公知的射线追踪算法RAY(Valume
i(x,y,z),V
P(x,y,z),V
S(x,y,z)R(x,y,z)),模拟震源点为Volume
i(x,y,z)的在J个检波器接收到的P波和S波初至时间集
(S203)。
............式2
..................式3
其中,Volume
i(x,y,z)是根据步骤S202计算出的第i个震源网格;V
P(x,y,z)、V
S(x,y,z)分别是P波和S波速度模型;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的第i个震源网格的P波和S波初至时间集;
分别表示第j个检波器接收到的第i个震源网格的P波和S波初至时间。
最后将I=Nx·Ny·Nz个网格的P波和S波的初至时间集记录到数据库得到初至时间数据库(S204)。
........................式4
其中
表示I=N
x·N
y·N
z个微地震源所模拟出的P波和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,可分别得到微地震事件的P波和S波波至时间集,其中,第m个微地震事件的P波和S波波至时间集可被表示为
(S102)。其中,
分别表示第j个检波器所接收到的第m个微地震事件的P波和S波波至时间,m是自然数。
当发生微地震事件时,同时也求取该微地震事件的方位角(S103)。以第m个微地震事件为例,对第j个检波器所接收到的P波或S波的两个水平分量取一定长度的时窗(该时窗必须将整个P波或S波包含在内,但窗不能太长,以至干扰信号影响分析的结果),对该时窗内的P波或S波的x和y分量进行偏振分析,可得第m个微地震事件的第j个检波器所表示的方位角θm,j,将J个检波器的方位角θm,j求平均,若选用P波的方位角,则求出的P波方位角是微地震事件的真实方位角,若选用S波的方位角,则S波的求出的方位角加上90°,则得到第m个微地震事件的方位角θm。利用正演的微地震P波和S波初至时间数据库和波至时间集进行微地震事件空间位置的反演
(S104)。
|θ[Volumei(x,y,z)]-θm|<θ′......式5
其中,因θm在求取时存在一定的误差,因此,将误差范围设定为θ′,可以得到θm的真解区域为(θm-θ′,θm+θ′),方位角误差θ′通常取小于10°的值。
满足式5时,则表示网格Volumei(x,y,z)在给定方位角度(θm-θ′,θm+θ′)范围内,并得微地震可能发生空间点Volumei(x,y,z,θm±θ′),在微地震发生空间区域Volume中只针对其方位角满足(θm-θ′,θm+θ′)的网格Volumei(x,y,z)进行最优微地震空间位置的求取,若网格Volumei(x,y,z)的方位角不在(θm-θ′,θm+θ′)内,则跳过该网格点。
根据式|θ[Volume
i(x,y,z)]-θ
m|<θ′,可得到其方位角在给定方位角度(θ
m-θ′,θ
m+θ′)范围内的网格Volume
i(x,y,z),并得到微地震可能发生空间点Volume
i(x,y,z,θ
m±θ′),并在初至时间数据库中利用所述微地震可能发生空间点Volume
i(x,y,z,θ
m±θ′)对应的初至时间进行最优微地震空间位置的求取。在根据式5得到的微地震可能发生空间点Volume
i(x,y,z,θ
m±θ′),根据公式
来反演第m个微地震的地震位置,先求取第i个网格的第j道的P波和S波波至时差
的绝对值和第m个微地震事件的第j道的P波和S波波至时差
的绝对值,设
若 则
若 则temp保持不变。
如此循环,直到对微地震可能发生空间点Volumei(x,y,z,θm±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Volumei(x,y,z)即为第m个微地震事件的震源位置。
当又发生一个微地震事件时,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。
根据本发明的基于数据库技术的纵横波时差定位方法,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波和S波初至时间,并以数据库的形式记录P波和S波初至时间,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波和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=Nx·Ny·Nz,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=Nx·Ny·Nz·m次。而用基于数据库技术的纵横波时差定位方法,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Nx·Ny·Nz·m倍。
本发明在实时处理中,根据拾取的微地震事件的P波和S波波至时间,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。首先根据θ
m建立一个微地震发生的角度区域(θ
m-θ′,θ
m+θ′)。然后判断Volume
i(x,y,z)是否在Volume
i(x,y,z)内,可得微地震可能发生空间点Volume
i(x,y,z,θ
m±θ′)。并对微地震可能发生空间点Volume
i(x,y,z,θ
m±θ′)中的网格,通过公式
求取取值最小的得网格,该网格即为此次微地震事件的空间位置。本发明在精度上还进行了双重保证。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。避免了方位角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。