CN104280775A - 一种基于全波形矢量偏移叠加的微地震监测定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于全波形矢量偏移叠加的微地震监测定位方法，利用地表三分量检波器记录的数据，采用三分量P波、SH波、SV波矢量叠加的方法，达到对微地震监测定位的目的。本发明适用于探测微地震信号，尤其在压裂改造过程中岩石破裂产生的微地震能量极其微弱并且在传统方法失效的情况下，可极大地提高探测微地震的效果，弥补了传统方法只能探测到能量较大微地震的不足，能够探测更多、信号更弱的微地震并可以更全面地监测压裂改造效果。本发明对于地表的微地震监测具有很好的效果，可以探测到极其微弱的微地震信号并进行P波和S波的联合定位，从而大大提高定位精度。

Description

一种基于全波形矢量偏移叠加的微地震监测定位方法

技术领域

本发明涉及非常规油气开发的微地震监测技术领域，更具体地讲，涉及一种能够提取信噪比很低的微地震信号并监测非常规油气开发过程中的压裂改造效果的基于全波形矢量偏移叠加的微地震监测定位方法。

背景技术

压裂改造是提高非常规油气采收率的关键技术。目前，通过研究压裂改造过程中岩石破裂产生的微地震是监测压裂改造效果的唯一方法。利用微地震还可以指导、优化压裂改造，降低对自然环境的污染以及降低诱发地震灾害。目前，井下观测是微地震监测的主要手段。但是，井下观测成本太高，不利于大范围普遍应用。利用地表记录微地震并监测压裂改造是一种新兴的手段。地表监测的成本较低，但是易受到地表人为噪音的干扰，而且微地震信号在地表沉积层内衰减很快，地表观测很难记录到高信噪比的微地震信号。因此，如何从地表记录中探测、提取微弱的微地震信号并用来监测压裂改造是地表微地震监测的关键点之一。

目前常用的微地震信号提取和定位的方法主要分为两种：

第一种：首先探测出微地震事件，然后对微地震进行定位；

第二种：利用格点扫描叠加技术进行微地震定位。

第一种方法一般利用短时窗与长时窗之比(STA/LTA)的方法来探测微地震信号，或者利用地震子波来探测重复地震；然后利用某种方法，比如双差定位法，对微地震进行定位。第二种方法则将微地震信号探测与定位结合在一起，在一个给定的模型空间内对地表记录的地震波进行偏移叠加，如果能量在某个格点聚集，该格点就代表一个可能的微地震信号发生。

以上两种方法都是建立在微地震信号能量足够大、地震数据的信噪比足够高的基础上，可以对单个微地震信号提取信息并定位。但是，非常规油气开采过程中压裂改造所产生的微地震能量很小，而且一般处于地下3～4km深处，地震波传到地表时已经非常微弱，用以上两种方法很难探测到有效的微地震信号。实际上，压裂改造过程中产生的微地震绝大部分属于极其微弱的信号，因而需要发展新的方法来捕捉压裂过程的全貌并进行监测定位。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中的不足，提供一种能够获取极低信噪比的微地震信号的基于全波形矢量偏移叠加的微地震监测定位方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于全波形矢量偏移叠加的微地震监测定位方法，所述方法包括以下步骤：

A、在压裂区的上方地表设置多个三分量检波器，获取地震数据；

B、将压裂区格点化并对所述压裂区建立速度模型，建立大地坐标系并获取各个三分量检波器的坐标和压裂区中的各个格点的坐标；

C、利用所述速度模型以及各个三分量检波器的坐标和各个格点的坐标计算地震波从压裂区中的每个格点到各个三分量检波器的方位角和出射角以及地震波中的P波、SH波和SV波分别从压裂区中的每个格点到各个三分量检波器的旅行时；

D、利用所述地震波从压裂区中的每个格点到各个三分量检波器的方位角和出射角依次将各个三分量检波器记录的地震数据中微地震信号的三个分量旋转至压裂区中的每个格点的预设坐标系中并使得压裂区中的每个格点的预设坐标系中的三个分量分别只包含P波信号、SV波信号或SH波信号；

E、利用所述地震波中的P波、SH波和SV波分别从压裂区中的每个格点到各个三分量检波器的旅行时和各个三分量检波器记录的地震数据中微地震信号的三个分量旋转至压裂区中的每个格点的预设坐标系中的P波信号分量、SV波信号分量或SH波信号分量以及式1和式2进行全波形矢量偏移叠加，计算得到压裂区中的每个格点在预设时窗内的总能量U(x，t₀)：

$U^j(x,t_0)={\∫}_{t_0-\frac{T}{2}}^{t_0+\frac{T}{2}}\mathrm{env}\left[{\left(\underset{k}{\mathrm{\Σ}}\sqrt[3]{s_k^j(t+{\mathrm{\τ}}_k^j\left(x\right))}\right)}^3\right]\mathrm{dt}$ ——式1

$U(x,t_0)=\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{U}^j(x,t_0)$ ——式2

在式1和式2中，x指示压裂区中格点的坐标；t指示地震数据的记录时间；k指示三分量检波器的编号且1≤k≤N，N为三分量检波器的总数；j等于P、SH或SV并且分别代表P波、SH波或SV波；指示在t时刻，第k个三分量检波器记录的地震数据中微地震信号的三个分量旋转至压裂区中的格点x的预设坐标系中的j波信号分量数据；T指示偏移叠加的预设时窗长度；指示地震波的j波从压裂区中的格点x到第k个三分量检波器的旅行时；env为求包络线的计算；U^j(x，t₀)指示压裂区中的格点x在包括基础时刻t₀在内的预设时窗T内对应于所有三分量检波器记录的地震数据中微地震信号的j波信号的总能量；U(x，t₀)指示压裂区中的格点x在包括基础时刻t₀在内的预设时窗T内对应于所有三分量检波器记录的地震数据中微地震信号的P波信号、SH波信号和SV波信号的总能量；

F、根据压裂区中各格点的能量分布分析压裂改造效果并进行微地震监测定位。

根据本发明的基于全波形矢量偏移叠加的微地震监测定位方法的一个实施例，在步骤A中，采用分散式布设所述多个三分量检波器并且所述多个三分量检波器组成一个二维地震台阵，所述三分量检波器至少获取压裂作业时间段内的连续地震数据。

根据本发明的基于全波形矢量偏移叠加的微地震监测定位方法的一个实施例，在步骤C中，根据试射法计算地震波从压裂区中的每个格点到各个三分量检波器的方位角和出射角，根据射线追踪法计算地震波中的P波、SH波和SV波分别从压裂区中的每个格点到各个三分量检波器的旅行时。

根据本发明的基于全波形矢量偏移叠加的微地震监测定位方法的一个实施例，在步骤D中，利用式3将各个三分量检波器记录的地震数据中微地震信号的三个分量旋转至压裂区中的每个格点的预设坐标系中：

——式3，

在式3中，指示第k个三分量检波器记录的地震数据中微地震信号的三个分量并且分别代表东西、南北、垂直分量；指示压裂区中的格点x的预设坐标系中的三个分量并且分别只包含P波信号、SV波信号、SH波信号；θ_k(x)指示地震波从压裂区中的格点x到第k个三分量检波器的出射角；指示地震波从压裂区中的格点x到第k个三分量检波器的方位角。

根据本发明的基于全波形矢量偏移叠加的微地震监测定位方法的一个实施例，在步骤D和步骤E之前，将各个三分量检波器记录的地震数据在不同频率段内进行滤波处理并在每一个频率段内分别进行全波形偏移叠加，重新计算所述压裂区中的每个格点在预设时窗内的总能量，之后在步骤F中进行有针对性地分析；在步骤E中，通过改变t₀的值并且保持T的预设时窗长度不变，或者通过改变T的预设时窗长度，重新计算所述压裂区中的每个格点在预设时窗内的总能量，之后在步骤F中进行有针对性地分析。

根据本发明的基于全波形矢量偏移叠加的微地震监测定位方法的一个实施例，所述方法还包括在步骤E之后调整速度模型的步骤，以获得最优速度模型。

根据本发明的基于全波形矢量偏移叠加的微地震监测定位方法的一个实施例，当各个三分量检波器记录的地震数据中包括射孔信号的数据时，根据射孔位置和记录时间调整速度模型并获得最优速度模型，继而校正地震波中的P波、SH波和SV波分别从压裂区中的每个格点到各个三分量检波器的旅行时和式1、式2的计算结果。

根据本发明的基于全波形矢量偏移叠加的微地震监测定位方法的一个实施例，当各个三分量检波器记录的地震数据中不包括射孔信号的数据时，根据压裂区中的每个格点在预设时窗T内对应于所有三分量检波器记录的地震数据中微地震信号的不同波信号的总能量之间的相关性调整所述速度模型并获取最优速度模型。

根据本发明的基于全波形矢量偏移叠加的微地震监测定位方法的一个实施例，利用式4计算压裂区中的每个格点在预设时窗T内对应于所有三分量检波器记录的地震数据中微地震信号的不同波信号的总能量之间的相关性CC，再通过修改速度模型使得相关性CC值最大并将相关性CC值最大时所对应的速度模型确定为最优速度模型：

CC＝<U^P(x，t₀)·U^sv(x，t₀)>+<U^P(x，t₀)·U^SH(x，t₀)>+<U^SV(x，t₀)·U^SH(x，t₀)>——式4

在式4中，·表示互相关操作。

根据本发明的基于全波形矢量偏移叠加的微地震监测定位方法的一个实施例，所述调整速度模型的步骤在第一级压裂作业时进行，在确定最优速度模型之后，不再调整速度模型并通过计算机进行全自动处理。

本发明适用于探测微地震信号，尤其在压裂改造过程中岩石破裂产生的微地震能量极其微弱并且在传统方法失效的情况下，可极大地提高探测微地震的效果，弥补了传统方法只能探测到能量较大微地震的不足，能够探测更多、信号更弱的微地震并可以更全面地监测压裂改造效果。本发明对于地表的微地震监测具有很好的效果，可以探测到极其微弱的微地震信号并进行P波和S波的联合定位，从而大大提高定位精度。

附图说明

图1是示例性地示出本发明中二维地震台阵分布及能量分辨率的示意图。

图2是示例性地示出本发明中地震波从压裂区中的格点到三分量检波器的方位角的示意图。

图3是示例性地示出本发明中地震波从压裂区中的格点到三分量检波器的出射角的示意图。

图4是示例性地示出本发明中的各格点能量分布图。

具体实施方式

以下，将参照附图详细说明本发明的示例性实施例。

可通过计算机软件模块实现本发明的基于全波形矢量偏移叠加的微地震监测定位方法。在本申请中描述的各个步骤不限制为上述步骤，其中的一些步骤可被进一步拆分为更多的步骤，并且一些步骤可合并为较少的步骤。

首先对本发明中可能涉及的一些技术名词进行简要说明。

P波，也即纵波，是指振动方向与波的传播方向一致的波；S波，也即横波，是指振动方向与波的传播方向垂直的波；根据偏振方向的不同，S波可以分为SV波和SH波，质点振动发生在与波的传播面相垂直的面内的波为SV波，质点振动发生在与波的传播面相平行的面内的波为SH波。P波、SV波和SH波均属于地震波，在各项同性介质中，SH波和SV波具有相同的传播速度，但是SH波和SV波与P波具有不同的传播速度。

三分量检波器是多波勘探时使用的特种检波器，其与单分量的常规地震检波器不同，每个三分量检波器内装有三个互相垂直的传感器，以记录质点振动速度向量的三个分量，用于同时记录不同的波。对于本发明而言，每个三分量检波器记录的地震数据包括三个分量的微地震信号，其中每个分量均可能同时包括P波信号、SH波信号和SV波信号。

由于地表监测微地震的一个主要难点是微地震信号极其微弱，很难观测到高信噪比的微地震信号。而压裂改造的区域比较小，一般在1km范围之内，故在一个很小的区域内会重复发生大量的微地震，不同时间发生在同一个位置的微地震的波形具有相似性，如果将这些相似的地震波形叠加就可以获取微弱的微地震信号。传统的偏移方法只是叠加不同的三分量检波器的记录，而本发明增加了不同时间的相似微地震的叠加处理，并且用多个三分量检波器记录的地震数据进行矢量偏移，还可以根据不同分量之间的相似性，探测微地震信号并研究微地震的分布和演化特征。因此，与地表进行微地震监测的传统方法相比，本发明的基于全波形矢量偏移叠加的微地震监测定位方法则是基于压裂作业时间段内多个三分量检波器记录的地震数据进行全波形矢量偏移叠加，从而获取大量传统方法难以拾取的微弱微地震信号，尤其可以获取能量更小、数量更多的微地震信号并捕捉压裂改造过程的全貌。

下面将详细描述本发明的基于全波形矢量偏移叠加的微地震监测定位方法的具体步骤。

步骤A：

在压裂区的上方地表设置多个三分量检波器，获取地震数据。

在步骤A中，可以采用天然地震学中公知的方法安装和设置三分量检波器，以采集高质量的地震数据。由于方法的高质量需求，最好使用高分辨率的三分量检波器，例如可以采取宽频带三分量检波器和短周期三分量检波器相结合的方案。当然，三分量检波器至少能够获取压裂作业时间段内的连续地震数据。

具体地，采用分散式布设多个三分量检波器并且多个三分量检波器在压裂区的水平段上方地表组成一个二维地震台阵，布设二维台站可以增加台站的方位覆盖，提高微地震信号的识别能量和精度，提高定位的精度。为了提高微地震的定位精度，二维地震台阵的孔径不得低于压裂区水平井的深度。例如，图1示出了本发明的二维地震台阵分布及能量分辨率的示意图，图1中的三角形代表三分量检波器，纵坐标和横坐标分别代表微地震信号在地表的慢度(即视速度的倒数)在南北方向和东西方向的投影，较浅颜色的区域内能量较大，圆圈和数字代表能量大小的等值线，+表示能量最大点的位置。其中，f＝10.0(Hz)表示能量叠加时的微地震信号的主频率，p0＝0.06/0.00(s/km)表示测试信号的慢度在南北方向和东西方向的投影分别为0.00s/km和0.06s/km。

此外，在设置三分量检波器时，应尽可能选取人为活动较少的台址。并且，为了降低地表人为活动噪音的干扰，通常需要挖一个1米见方的坑并在坑底用混凝土做一个基底，再将三分量检波器安置于基底之上，并用泡沫、土等进行掩埋，从而减少温度变化、空气流动和地表噪音对三分量检波器的干扰。

如果需要进行实时监测压裂效果，就需要将每个三分量检波器记录的地震数据实时传输到处理中心，在现场进行实时处理，并且数据的实时传输一般采用光纤传输的方法。如果不需要进行实时监测和实时处理，则可以将每个三分量检波器记录的地震数据保存在仪器内，等压裂作业完成后再取回实验室进行分析处理。

步骤B：

将压裂区格点化并对压裂区建立速度模型，建立大地坐标系并获取各个三分量检波器的坐标和压裂区中的各个格点的坐标。

为了获取压裂区不同位置产生的微地震信号，本发明的后续处理中需要用到并计算不同地震波从压裂区不同位置到地表各个三分量检波器的旅行时，因此本发明首先需要对压裂区进行格点化的处理，以将范围较大的压裂区细化为范围较小的网格，从而可以针对每一个细化后的格点进行具体的处理和分析，获得更为精细的数据和分析结果。格点化实际上就是将压裂区网格化，即将一个区域等分成很多个小块，这是本领域的一种常规处理方法。因为地下是一个连续的整体，若不进行格点化处理将无法进行后续的计算，具体的格点化方式和格点化精度可以根据实际工况和处理要求进行设置和调整。

其次需要建立速度模型，一方面是为了计算不同地震波从压裂区不同位置到地表各个三分量检波器的旅行时，另一方面也是为了计算地震波从压裂区中的每个格点到各个三分量检波器的方位角和出射角。具体可以根据测井曲线建立速度模型，一般是一维速度模型，如果获得了压裂区的地震剖面资料，则可以建立三维速度模型。速度模型一般来说就是S波和P波在地层的一定深度范围内的速度值，最早的速度模型可以根据测井曲线来获得，是目前本领域比较常见的一种方式。其中，由于速度模型直接影响到旅行时、方位角和出射角的计算结果，因此之后的各步骤处理均是基于所建立的特定速度模型进行的，若速度模型发生改变，则后续的各步骤计算均需重新进行并获得新的分析结果。此外，本发明的优势还在于可以根据结果实时调整速度模型并优化微地震监测结果，具体可以参见下文的描述。

最后还需要建立大地坐标系并获取各个三分量检波器的坐标和压裂区中的各个格点的坐标，获取坐标也是为了计算不同地震波从压裂区不同位置到地表各个三分量检波器的旅行时和地震波从压裂区中的每个格点到各个三分量检波器的方位角和出射角。其中，上述坐标信息在埋置三分量检波器时可以通过测量得到。

步骤C：

利用速度模型以及各个三分量检波器的坐标和各个格点的坐标计算地震波从压裂区中的每个格点到各个三分量检波器的方位角和出射角以及地震波中的P波、SH波和SV波分别从压裂区中的每个格点到各个三分量检波器的旅行时.

其中，地震波从压裂区中的格点到三分量检波器的方位角是指格点与三分量检波器的连线与正北方向之间的夹角具体可以参照图2示出的方位角图示，并且可以利用格点以及三分量检波器的坐标并根据几何关系计算得到地震波从压裂区中的每个格点到各个三分量检波器的方位角即将每一个格点都设想为一个微地震事件，计算这个假想的微地震事件与三分量检波器之间的方位角。在图2中，x表示格点，k表示三分量检波器。

地震波从压裂区中的格点到三分量检波器的出射角是指地震波传播到地表的三分量检波器后的出射方向与铅垂方向的夹角θ，具体可以参照图3示出的出射角图示，并且可以利用格点以及三分量检波器的坐标以及速度模型计算得到地震波从压裂区中的每个格点到各个三分量检波器的出射角θ_k(x)，同样地，即将每一个格点都设想为一个微地震事件，计算这个假想的微地震传播至三分量检波器的出射角。例如对于图3所示的情况，可以利用等式来求出射角θ。在图3中，x表示格点，k表示三分量检波器。

地震波中的P波、SH波和SV波分别从压裂区中的格点到三分量检波器的旅行时就是指P波、SH波或SV波从格点(微地震震源处)传播至三分量检波器的时间，因此对于一个三分量检波器记录的地震数据来说，对于每个格点均可以计算得出一个P波旅行时、一个SH波旅行时和一个SV波旅行时(其中，SH波旅行时和SV波旅行时相等)。计算旅行时也是可以利用格点以及三分量检波器的坐标以及速度模型来计算。并且，地震波从压裂区中的每个格点到各个三分量检波器的方位角和出射角以及地震波中的P波、SH波和SV波分别从压裂区中的每个格点到各个三分量检波器的旅行时的计算具体可以采用本领域的常规方法进行，例如根据试射法计算地震波从压裂区中的每个格点到各个三分量检波器的方位角和出射角，根据射线追踪法或有限差分法等计算地震波中的P波、SH波和SV波分别从压裂区中的每个格点到各个三分量检波器的旅行时。

步骤D：

利用地震波从压裂区中的每个格点到各个三分量检波器的方位角和出射角依次将各个三分量检波器记录的地震数据中微地震信号的三个分量旋转至压裂区中的每个格点的预设坐标系中并使得压裂区中的每个格点的预设坐标系中的三个分量分别只包含P波信号、SV波信号或SH波信号。

由于三分量检波器记录的地震数据的三个分量中都可能包含P波信号、SV波信号和SH波信号，因此直接利用三分量检波器记录的地震数据进行分析和计算的针对性不强且效果不好，故需要将各个三分量检波器记录的地震数据中微地震信号的三个分量旋转至压裂区中的每个格点的预设坐标系中并使得压裂区中的每个格点的预设坐标系中的三个分量分别只包含P波信号、SV波信号或SH波信号。

根据本发明的示例性实施例，可以利用式3将各个三分量检波器记录的地震数据中微地震信号的三个分量旋转至压裂区中的每个格点的预设坐标系中：

——式3，

在式3中，x指示压裂区中格点的坐标；k指示三分量检波器的编号且1≤k≤N，N为三分量检波器的总数；指示第k个三分量检波器记录的地震数据中微地震信号的三个分量并且分别代表东西、南北、垂直分量；指示压裂区中的格点x的预设坐标系中的三个分量并且分别只包含P波信号、SV波信号、SH波信号；θ_k(x)指示地震波从压裂区中的格点x到第k个三分量检波器的出射角；指示地震波从压裂区中的格点x到第k个三分量检波器的方位角。

事实上，三分量检波器记录的地震数据的三个分量进行坐标旋转也可以采用本领域公知的方法进行。

步骤E：

利用地震波中的P波、SH波和SV波分别从压裂区中的每个格点到各个三分量检波器的旅行时和各个三分量检波器记录的地震数据中微地震信号的三个分量旋转至压裂区中的每个格点的预设坐标系中的P波信号分量、SV波信号分量或SH波信号分量以及式1和式2进行全波形矢量偏移叠加，计算得到压裂区中的每个格点在预设时窗内的总能量U(x，t₀)：

$U^j(x,t_0)={\&Integral;}_{t_0-\frac{T}{2}}^{t_0+\frac{T}{2}}\mathrm{env}\left[{\left(\underset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}\sqrt[3]{s_k^j(t+{\mathrm{\&tau;}}_k^j\left(x\right))}\right)}^3\right]\mathrm{dt}$ ——式1

$U(x,t_0)=\underset{j}{\mathrm{\&Sigma;}}{U}^j(x,t_0)$ ——式2

在式1和式2中，x指示压裂区中格点的坐标；t指示地震数据的记录时间；k指示三分量检波器的编号且1≤k≤N，N为三分量检波器的总数；j等于P、SH或SV并且分别代表P波、SH波或SV波；指示在t时刻，第k个三分量检波器记录的地震数据中微地震信号的三个分量旋转至压裂区中的格点x的预设坐标系中的j波信号分量数据；T指示偏移叠加的预设时窗长度；指示地震波的j波从压裂区中的格点x到第k个三分量检波器的旅行时；env为求包络线的计算；U^j(x，t₀)指示压裂区中的格点x在包括基础时刻t₀在内的预设时窗T内对应于所有三分量检波器记录的地震数据中微地震信号的j波信号的总能量；U(x，t₀)指示压裂区中的格点x在包括基础时刻t₀在内的预设时窗T内对应于所有三分量检波器记录的地震数据中微地震信号的P波信号、SH波信号和SV波信号的总能量。

由于不同微地震发生的位置很接近，因此记录的地震数据也有很强的相似性，大量微地震信号叠加后将会大大增强微地震信号并提高信噪比，从而能够探测到传统方法探测不到的微地震信号。为了提高微地震信号的信噪比，同时检测微地震随着压裂过程和时间的演化，本发明采用了预设时窗的方式，对于给定的时窗范围T(例如，5分钟)和给定的时间t₀，偏移并累加该预设时窗内地震数据的不同波信号的振幅值，从而得到某个格点在该预设时窗内的总能量，可以显著地提高微地震的信噪比，探测出压裂区内重复发生的微弱地震信号。

步骤F：

根据压裂区中各格点的能量分布分析压裂改造效果并进行微地震监测定位。

在计算得到所有格点的能量分布之后，可以获得比较直观的能量分布图谱，进而可以分析压裂改造效果和监测定位微地震，具体可以参照图4示出的根据本发明示例性实施例得到的各格点能量分布图。在图4中，纵坐标和横坐标分别表示南北方向和东西方向的地理坐标，其中不同的颜色深度代表了不同的叠加能量值，格点的叠加能量值等于0的地方为能量最大处，并且能量最大处则最可能存在微地震事件。

根据本发明，在全波形矢量偏移叠加的过程中，为了使相干能量的计算结果更稳定，可以根据频率成分将各个三分量检波器记录的地震数据在不同频率段内进行滤波处理并在每一个频率段内分别进行全波形偏移叠加，重新计算所述压裂区中的每个格点在预设时窗内的总能量，之后进行有针对性地分析以研究微地震信号的不同频率成分的空间分布特征。

随着压裂作业的进行，用户还可以通过改变t₀的值并且保持T的预设时窗长度不变，或者通过改变T的预设时窗长度，重新计算压裂区中的每个格点在预设时窗内的总能量，之后在步骤F中进行有针对性地分析，如研究压裂效果随时间的改变或研究更长时间内的微地震分布或研究微地震在不同时间的分布特征。

此外，由于速度模型的精确度直接制约了微地震定位的精度，因此本发明还包括在步骤E之后调整速度模型的步骤，以获得最优速度模型，并可以通过实时调整速度模型而获得更佳的监测定位精度和定位结果。

目前常用的是相对定位方法如双差定位方法，这样可以降低速度模型不准确引入的定位误差，但是依然无法确定一簇微地震的绝对位置。这就需要知道一个位于压裂区内、具有确切位置的信号，利用该信号的震源位置和记录时间将一簇微地震相对于该确切信号进行定位，就可以大大提高定位精度。而本发明的方法虽然天生具有相对定位的优势，但是和传统的相对定位方法一样，其对微地震的定位也需要依赖于一个具有确切位置的信号。如果能够记录到清晰的射孔信号，则可以根据射孔信号的信息矫正速度模型，大大提高定位的精度。具体地，根据本发明的示例性实施例，当各个三分量检波器记录的地震数据中包括射孔信号的数据时，根据射孔位置和记录时间调整速度模型并获得最优速度模型，继而校正地震波中的P波、SH波和SV波分别从压裂区中的每个格点到各个三分量检波器的旅行时和式1、式2的计算结果。

但若实施过程中没有可以利用的射孔信号，则可以根据计算结果逐步修正速度模型。根据本发明的示例性实施例，当各个三分量检波器记录的地震数据中不包括射孔信号的数据时，根据压裂区中的每个格点在预设时窗T内对应于所有三分量检波器记录的地震数据中微地震信号的不同波信号的总能量之间的相关性调整所述速度模型并获取最优速度模型。利用不同波信号的总能量之间的相关性既可以增强微地震信号的可信度，并且还能修正速度模型。具体地，可以利用式4计算压裂区中的每个格点在预设时窗T内对应于所有三分量检波器记录的地震数据中微地震信号的不同波信号的总能量之间的相关性CC，再通过修改速度模型使得相关性CC值最大并将相关性CC值最大时所对应的速度模型确定为最优速度模型：

CC＝<U^P(x，t₀)·U^sv(x，t₀)>+<U^P(x，t₀)·U^SH(x，t₀)>+<U^SV(x，t₀)·U^SH(x，t₀)>——式4

在式4中，·表示互相关操作。

并且，互相关的运算可以采用本领域公知的方法进行。

上述调整速度模型的步骤一般在第一级压裂作业时进行，一旦完成并确定最优速度模型之后，就不再需要人工干预来调整速度模型，可以完全通过计算机进行全自动处理，大大提高计算效果。

综上所述，本发明的基于全波形矢量偏移叠加的微地震监测定位方法采用了全波形矢量偏移叠加的方法，利用了不同波信号之间的能量相关性，同时利用P波和S波进行微地震监测定位，可以大大提高微地震定位的精度，提高地表监测微地震的效果，捕捉压裂过程全貌。

虽然已经示出并描述了本发明的示例性实施例，但是本领域技术人员应该理解的是，本发明不限于此，在不脱离由权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对这些示例性实施例进行各种修改和变换。

Claims (10)

1.一种基于全波形矢量偏移叠加的微地震监测定位方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

A、在压裂区的上方地表设置多个三分量检波器，获取地震数据；

B、将压裂区格点化并对所述压裂区建立速度模型，建立大地坐标系并获取各个三分量检波器的坐标和压裂区中的各个格点的坐标；

C、利用所述速度模型以及各个三分量检波器的坐标和各个格点的坐标计算地震波从压裂区中的每个格点到各个三分量检波器的方位角和出射角以及地震波中的P波、SH波和SV波分别从压裂区中的每个格点到各个三分量检波器的旅行时；

D、利用所述地震波从压裂区中的每个格点到各个三分量检波器的方位角和出射角依次将各个三分量检波器记录的地震数据中微地震信号的三个分量旋转至压裂区中的每个格点的预设坐标系中并使得压裂区中的每个格点的预设坐标系中的三个分量分别只包含P波信号、SV波信号或SH波信号；

E、利用所述地震波中的P波、SH波和SV波分别从压裂区中的每个格点到各个三分量检波器的旅行时和各个三分量检波器记录的地震数据中微地震信号的三个分量旋转至压裂区中的每个格点的预设坐标系中的P波信号分量、SV波信号分量或SH波信号分量以及式1和式2进行全波形矢量偏移叠加，计算得到压裂区中的每个格点在预设时窗内的总能量U(x，t₀)：

$U^j(x,t_0)={\&Integral;}_{t_0-\frac{T}{2}}^{t_0+\frac{T}{2}}\mathrm{env}\left[{\left(\underset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}\sqrt[3]{S_k^j(t+{\mathrm{\&tau;}}_k^j\left(x\right))}\right)}^3\right]\mathrm{dt}$ ——式1

$U(x,t_0)=\underset{j}{\mathrm{\&Sigma;}}{U}^j(x,t_0)$ ——式2

在式1和式2中，x指示压裂区中格点的坐标；t指示地震数据的记录时间；k指示三分量检波器的编号且1≤k≤N，N为三分量检波器的总数；j等于P、SH或SV并且分别代表P波、SH波或SV波；指示在t时刻，第k个三分量检波器记录的地震数据中微地震信号的三个分量旋转至压裂区中的格点x的预设坐标系中的j波信号分量数据；T指示偏移叠加的预设时窗长度；指示地震波的j波从压裂区中的格点x到第k个三分量检波器的旅行时；env为求包络线的计算；U^j(x，t₀)指示压裂区中的格点x在包括基础时刻t₀在内的预设时窗T内对应于所有三分量检波器记录的地震数据中微地震信号的j波信号的总能量；U(x，t₀)指示压裂区中的格点x在包括基础时刻t₀在内的预设时窗T内对应于所有三分量检波器记录的地震数据中微地震信号的P波信号、SH波信号和SV波信号的总能量；

F、根据压裂区中各格点的能量分布分析压裂改造效果并进行微地震监测定位。

2.根据权利要求1所述的基于全波形矢量偏移叠加的微地震监测定位方法，其特征在于，在步骤A中，采用分散式布设所述多个三分量检波器并且所述多个三分量检波器组成一个二维地震台阵，所述三分量检波器至少获取压裂作业时间段内的连续地震数据。

3.根据权利要求1所述的基于全波形矢量偏移叠加的微地震监测定位方法，其特征在于，在步骤C中，根据试射法计算地震波从压裂区中的每个格点到各个三分量检波器的方位角和出射角，根据射线追踪法计算地震波中的P波、SH波和SV波分别从压裂区中的每个格点到各个三分量检波器的旅行时。

4.根据权利要求1或3所述的基于全波形矢量偏移叠加的微地震监测定位方法，其特征在于，在步骤D中，利用式3将各个三分量检波器记录的地震数据中微地震信号的三个分量旋转至压裂区中的每个格点的预设坐标系中：

——式3，

在式3中，指示第k个三分量检波器记录的地震数据中微地震信号的三个分量并且分别代表东西、南北、垂直分量；指示压裂区中的格点x的预设坐标系中的三个分量并且分别只包含P波信号、SV波信号、SH波信号；θ_k(x)指示地震波从压裂区中的格点x到第k个三分量检波器的出射角；指示地震波从压裂区中的格点x到第k个三分量检波器的方位角。

5.根据权利要求1所述的基于全波形矢量偏移叠加的微地震监测定位方法，其特征在于，在步骤D和步骤E之前，将各个三分量检波器记录的地震数据在不同频率段内进行滤波处理并在每一个频率段内分别进行全波形偏移叠加，重新计算所述压裂区中的每个格点在预设时窗内的总能量，之后在步骤F中进行有针对性地分析；在步骤E中，通过改变t₀的值并且保持T的预设时窗长度不变，或者通过改变T的预设时窗长度，重新计算所述压裂区中的每个格点在预设时窗内的总能量，之后在步骤F中进行有针对性地分析。

6.根据权利要求1所述的基于全波形矢量偏移叠加的微地震监测定位方法，其特征在于，所述方法还包括在步骤E之后调整速度模型的步骤，以获得最优速度模型。

7.根据权利要求6所述的基于全波形矢量偏移叠加的微地震监测定位方法，其特征在于，当各个三分量检波器记录的地震数据中包括射孔信号的数据时，根据射孔位置和记录时间调整速度模型并获得最优速度模型，继而校正地震波中的P波、SH波和SV波分别从压裂区中的每个格点到各个三分量检波器的旅行时和式1、式2的计算结果。

8.根据权利要求6所述的基于全波形矢量偏移叠加的微地震监测定位方法，其特征在于，当各个三分量检波器记录的地震数据中不包括射孔信号的数据时，根据压裂区中的每个格点在预设时窗T内对应于所有三分量检波器记录的地震数据中微地震信号的不同波信号的总能量之间的相关性调整所述速度模型并获取最优速度模型。

9.根据权利要求8所述的基于全波形矢量偏移叠加的微地震监测定位方法，其特征在于，利用式4计算压裂区中的每个格点在预设时窗T内对应于所有三分量检波器记录的地震数据中微地震信号的不同波信号的总能量之间的相关性CC，再通过修改速度模型使得相关性CC值最大并将相关性CC值最大时所对应的速度模型确定为最优速度模型：

CC＝<U^P(x，t₀)·U^sv(x，t₀)>+<U^P(x，t₀)·U^SH(x，t₀)>+<U^SV(x，t₀)·U^SH(x，t₀)>——式4

在式4中，·表示互相关操作。

10.根据权利要求6至9中任一项所述的基于全波形矢量偏移叠加的微地震监测定位方法，其特征在于，所述调整速度模型的步骤在第一级压裂作业时进行，在确定最优速度模型之后，不再调整速度模型并通过计算机进行全自动处理。