CN105510880A - 一种基于双差法的微地震震源定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于双差法的微地震震源定位方法，属于石油地球物理勘探领域。本发明方法选取射孔事件作为主事件，拾取微地震事件的观测走时，并通过计算射孔和微地震事件的观测走时与理论计算走时差的残差(“双差”)确定射孔和微地震事件的相对距离。本发明方法运算速度快，效率高，易于局部收敛；有相对的主事件，相对的定位精度较高，同时也不受空间范围的限制；抵消了由于近地表和地层速度变化引起的误差，提高了定位的精度。

Description

一种基于双差法的微地震震源定位方法

技术领域

本发明属于石油地球物理勘探领域，具体涉及一种基于双差法的微地震震源定位方法。

背景技术

在水力压裂和储层监测的工程中，微地震震源定位是一个非常重要的研究课题。通过对水力压裂过程中地下岩层裂缝的发育状况实时监测，可以为压裂后的油藏施工调整快速提出理论依据。由于水力压裂产生的地震信号十分微弱，微地震监测方法成为储层属性描述一种快速有效的方法。微地震信号与天然地震信号具有类似的震源机制和信号特征。因此可以借鉴天然地震学中震源定位方法进行微地震震源定位研究。本项目提出一种双差法的微地震事件震源定位的技术。

微地震震源定位是微地震监测中的最为根本的问题，在最初出现的震源定位方法中，主要是基于直达波初至与地层模型的反演方法，利用拾取的直达P、S波初至反演震源位置或发展时刻，使得模拟的初至与实际拾取的初至误差达到最小，这种方法是目前应用最为广泛的一种方法，但是地面微地震监测的方法S波的能量弱，大多数的微地震信号只能看到P波，用P、S波反演定位的方法适用井中微地震监测。

现阶段，双差定位法方法在天然地震领域中得到了极为广泛的应用，并能进行精确的重定位。这种方法是一种相对定位的线性方法，其运算的速度快，效率高，易于局部收敛；有相对的主事件，相对的定位精度较高，同时也不受空间范围的限制。双差定位方法的优势就是通过两个检波器接收到旅行时的差对事件进行定位，但是其对资料的要求高，并且对初至的拾取比较敏感，这样就需要具有较高的信噪比的资料，因此到目前为止在微地震监测中还没有得到很好的应用。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种基于双差法的微地震震源定位方法，将双差定位方法技术引入到微地震监测领域，将其方法进行改进，适用于微地震监测的定位方法中，并实现微地震震源重定位，提高其定位精度，实现高精度的微地震定位。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于双差法的微地震震源定位方法，选取射孔事件作为主事件，拾取微地震事件的观测走时，并通过计算射孔和微地震事件的观测走时与理论计算走时差的残差(“双差”)确定射孔和微地震事件的相对距离。

所述方法包括：

(0)读入压裂井周围的层状速度文件、各个检波器的坐标值、相对微地震事件的初始坐标值及各个检波器的观测走时；

(1)计算射孔及微地震事件到各个检波器的走时；

(2)拾取射孔及微地震事件的观测走时；

(3)计算射孔事件和微地震事件到各检波器的走时差，以及两个微地震事件到各检波器的走时差；

(4)计算射孔事件与微地震事件观测走时与理论计算走时差的残差；

(5)建立双差线性方程组；

(6)求解双差线性方程组，得到两个微地震震源的四个震源参数的相对值，最终确定微地震事件的震源位置。

所述方法还进一步包括：

(7)利用步骤(6)得到的微地震事件的真实位置对其地震剖面进行动校正，如校正之后的叠加的能量值大于初始给定的阀值，即为真实解；若小于初始给定的阀值，则返回步骤(2)。

所述步骤(1)是这样实现的：

根据射线理论，微地震事件i到检波器k的走时表示为：

$T_k^i={\mathrm{\τ}}^i+{\∫}_i^k\mathrm{uds}---\left(1\right)$

将其一阶泰勒展开：

$\frac{{\∂t}_k^i}{\∂\mathrm{\θ}}{\mathrm{\Δ\θ}}^i=r_k^i---\left(2\right)$

其中：Δθⁱ＝(Δxⁱ，Δyⁱ，Δzⁱ，Δτⁱ)，

所述步骤(2)是这样实现的：

通过互相关函数法或手动拾取方法拾取微地震事件、射孔到各个检波器的观测走时(即观测初至到时)。

所述步骤(3)是这样实现的：

对(2)式做差得到如下的方程：

$\frac{{\∂t}_k^{\mathrm{ij}}}{\∂\mathrm{\θ}}{\mathrm{\Δ\θ}}^{\mathrm{ij}}={\mathrm{dr}}_k^{\mathrm{ij}}---\left(3\right)$

其中：Δθ^ij＝(Δx^ij，Δy^ij，Δz^ij，Δτ^ij)，为两个微地震震源参数的差，Δx^ij：两个微地震事件的x坐标的差；Δy^ij：两个微地震事件的y坐标的差；Δz^ij：两个微地震事件的z坐标的差；Δτ^ij：两个微地震事件发震时刻的差，为两个微地震事件的观测走时与理论计算走时差的残差。

所述步骤(4)是这样实现的：

两个微地震事件的观测走时与理论计算走时差的残差表示为：

${\mathrm{dr}}_k^i={(t_k^i-t_k^j)}^{\mathrm{obs}}-{(t_k^i-t_k^j)}^{\mathrm{cal}}---\left(4\right)$

其中，为i和j微地震事件的观测走时，为事件的观测走时，为j事件的观测走时；为i和j微地震事件的理论计算走时，为i事件的理论计算走时，为j事件的理论计算走时。

所述步骤(5)是这样实现的：

将(3)式展开即为：

$\frac{{\∂t}_k^i}{\∂x}{\mathrm{\Δx}}^i+\frac{{\∂t}_k^i}{\∂y}{\mathrm{\Δy}}^i+\frac{{\∂t}_k^i}{\∂z}{\mathrm{\Δz}}^i+{\mathrm{\Δ\τ}}^i-\frac{{\∂t}_k^j}{\∂x}{\mathrm{\Δx}}^j-\frac{{\∂t}_k^j}{\∂y}{\mathrm{\Δy}}^j-\frac{{\∂t}_k^j}{\∂z}{\mathrm{\Δz}}^j-{\mathrm{\Δ\τ}}^j={\mathrm{dr}}_k^{\mathrm{ij}}---\left(5\right)$

将各检波器的所有两个微地震事件对形成的方程(5)联立得到的双差线性方程组：

Gθ＝d(6)

其中，G为偏导数矩阵，d为双差数据向量。

所述步骤(6)是这样实现的：

解双差线性方程组的收敛条件如下：

$\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Δ\θ}}^i=0---\left(7\right)$

要求全部的震源的四个参数Δx^ij、Δy^ij、Δz^ij和Δτ^ij整体变化为零；

利用LSQT法最小二乘求解(6)式，得到两个微地震震源的四个震源参数的相对值，即为两个震源的相对位置；

射孔的真实位置为已知，微地震事件的震源位置为其射孔的真实位置加上其四个相对值，具体如下：

设射孔的真实位置为x，y，z；求解(6)式得到的相对位置为Δx，Δy，Δz；则微地震事件的震源位置为：

x‘＝x+Δx

y‘＝y+Δy

z’＝z+Δz。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

a)其运算的速度快，效率高，易于局部收敛；

b)有相对的主事件，相对的定位精度较高，同时也不受空间范围的限制；

c)其中最主要的特点是：起伏地表存在近地表低速层，其速度的变化直接影响震源扫描定位的精度，反而鉴于双差定位是靠事件对之间的走时差去确定其相对的位置，同时就抵消了这种由于近地表和地层速度变化引起的误差，提高了其定位的精度。

附图说明

图1是本发明选取微地震监测方式图示意图。

图2是本发明地质模型与观测系统示意图。

图3是本发明地质模型速度模型示意图。

图4是两点震源合成记录示意图。

图5是三点震源合成记录示意图。

图6是两个震源相对位置误差柱状图示意图。

图7是某实际压裂井射孔记录示意图。

图8射孔记录计算相对误差示意图。

图9是某实际压裂井压裂事件记录示意图。

图10是震源及射孔相对位置误差柱状图示意图

图11是本发明方法的步骤框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

本发明根据微地震信号与天然地震信号具有类似的震源机制和信号特征。分析其微地震资料的特点：事件震源分布集中，事件间的距离远远小于其到检波器的距离的特点，选取射孔事件作为主事件，拾取微地震事件的观测走时，并通过计算其射孔和事件的观测走时与理论计算走时差的残差(“双差”)确定其相对的距离。

如图11所示，本方法具体实现的步骤为：

(0)读入压裂井周围的层状速度文件、各个检波器的坐标值、相对微地震事件的初始坐标值及各个检波器的观测走时；

(1)计算射孔及微地震事件到各个检波器的走时(射孔是相当于已知震源的位置)

根据射线理论，微地震事件i到检波器k的走时表示为：

$T_k^i={\mathrm{\τ}}^i+{\∫}_i^k\mathrm{uds}---\left(1\right)$

为微地震事件到检波器k的旅行时，ds为沿射线的弧长元素，τⁱ微地震事件i的发震时刻，u为速度的倒数

将其一阶泰勒展开：

$\frac{{\∂t}_k^i}{\∂\mathrm{\θ}}{\mathrm{\Δ\θ}}^i=r_k^i---\left(2\right)$

其中：Δθⁱ＝(Δxⁱ，Δyⁱ，Δzⁱ，Δτⁱ)，

Δx^ij：两个微地震事件的x坐标的差；Δy^ij：两个微地震事件的y坐标的差；Δz^ij：两个微地震事件的z坐标的差；Δτ^ij：两个微地震事件发震时刻的差，为两个微地震事件的观测走时与计算走时的差的差，是残差，t^obs是两个微地震事件观测走时的差，t^cal两个微地震事件观测走时的差；

(2)拾取射孔及微地震事件的观测走时

通过互相关函数法或手动拾取方法拾取微地震事件到各个检波器的观测初至到时。

(3)计算射孔事件和微地震事件到各检波器的走时差，以及两个微地震事件到各检波器的走时差；

a、计算射孔和微地震到各检波器的走时差可以计算微地震事件的相对于射孔事件的相对距离，射孔的坐标是已知的，可以修正微地震事件的坐标，提高其微地震事件的定位精度；

b、计算两个微地震事件的走时差可以计算两个微地震事件的相对距离，可以修正微地震事件的整体位置。

通过选取两个微地震事件(本发明选择射孔和某一微地震事件，其微地震事件要求可拾取的观测到时至少有三个，并且不在一条直线上)对(2)式做差得到如下的方程：

$\frac{{\∂t}_k^{\mathrm{ij}}}{\∂\mathrm{\θ}}{\mathrm{\Δ\θ}}^{\mathrm{ij}}={\mathrm{dr}}_k^{\mathrm{ij}}---\left(3\right)$

其中：Δθ^ij＝(Δx^ij，Δy^ij，Δz^ij，Δτ^ij)，为两个微地震震源参数的差(本发明的方法是反演迭代的方法。第一次，计算读入两个微地震事件的初始震源参数的差，最终计算得到两个位置的相对距离差，再加到给定的初始值上，修正微地震事件的震源参数；第二次，计算修正后的微地震事件的震源参数)，Δx^ij：两个微地震事件的x坐标的差；Δy^ij：两个微地震事件的y坐标的差；Δz^ij：两个微地震事件的z坐标的差；Δτ^ij：两个微地震事件发震时刻的差，为两个微地震事件的观测走时与计算走时的差的差(两个微地震事件的观测走时是通过读入数据求得的，通过筛选(同一检波点上两个微地震事件都有其观测走时的数据)进行计算各个检波点观测走时差；计算走时差是通过步骤(2)求得的；之后将筛选计算的观测走时差与其相对应检波点的计算走时差做差，即为

(4)计算射孔事件与微地震事件观测走时及理论走时差的差

两个微地震事件的观测走时及理论走时差的残差可以表示为：

${\mathrm{dr}}_k^i={(t_k^i-t_k^j)}^{\mathrm{obs}}-{(t_k^i-t_k^j)}^{\mathrm{cal}}---\left(4\right)$

公式(4)中是对公式(3)中的分解，为i和j微地震事件的观测走时，通过读入数据求得的，其中事件的观测走时，为j事件的观测走时；为i和j微地震事件的理论计算走时，通过步骤(2)求得的，其中事件的理论计算走时，为j事件的理论计算走时：

(5)建立双差线性方程组

将(3)式展开即为：

$\frac{{\∂t}_k^i}{\∂x}{\mathrm{\Δx}}^i+\frac{{\∂t}_k^i}{\∂y}{\mathrm{\Δy}}^i+\frac{{\∂t}_k^i}{\∂z}{\mathrm{\Δz}}^i+{\mathrm{\Δ\τ}}^i-\frac{{\∂t}_k^j}{\∂x}{\mathrm{\Δx}}^j-\frac{{\∂t}_k^j}{\∂y}{\mathrm{\Δy}}^j-\frac{{\∂t}_k^j}{\∂z}{\mathrm{\Δz}}^j-{\mathrm{\Δ\τ}}^j={\mathrm{dr}}_k^{\mathrm{ij}}---\left(5\right)$

将各检波器的所有微地震事件对形成的方程(5)联立得到的方程组，即对步骤(2)中的公式(3)式的泰勒展开式，是单个检波点两个微地震事件对的方程。步骤(3)为公式(5)提供原始数据的，步骤(4)就是公式(5)的展开式：

Gθ＝d(6)

其中，G为偏导数矩阵，d为双差数据向量。公式(5)是单个检波点的方程，将各个检波点的两个微地震事件对的方程联立即求得双差线性方程组，如公式(6)所示。

(6)求解其目标函数

利用LSQT法最小二乘求解(6)式，要求全部的震源的四个参数(Δx^ij：两个微地震事件的x坐标的差；Δy^ij：两个微地震事件的y坐标的差；Δz^ij：两个微地震事件的z坐标的差；Δτ^ij：两个微地震事件发震时刻的差)整体变化为零(此条件是解双差线性方程组的收敛条件)，即为：

$\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Δ\θ}}^i=0---\left(7\right)$

公式(7)为解双差线性方程组的收敛条件

所求取两个微地震震源的四个震源参数的相对值，即为两个震源的相对位置。射孔真实位置为已知，其微地震事件的震源位置为其射孔的真实位置加上其四个相对值，具体如下：射孔的真实位置是已知的，若为x，y，z；求取得相对位置若为Δx，Δy，Δz；则微地震事件的震源位置x‘＝x+Δx；y‘＝y+Δy，z’＝z+Δz。可以计算两个震源的相对位置，约束震源的距离，也可以计算射孔和震源的相对位置，直接计算震源的位置。

所述方法还进一步包括：

进行误差精度分析，利用误差精度分析得到的微地震事件的真实位置对其地震剖面进行动校正，如校正之后的叠加的能量值大于初始给定的阀值，即为真实解；若小于初始给定的阀值，则返回步骤(2)，即调整并拾取两个微地震事件的旅行时，重新求解，得到较为准确的真实解。

本发明的一个实施例如下：

选取模型和一口水平井压裂的为实例，其中观测方式为图1的地面微地震监测方式为主的进行测试。

模型为建立如图2(图2中的1线、2线、3线表示分别布的三条观测测线)观测系统测线的水平层状数值模型(如图3所示)，共7层，速度分别为500m/s、1000m/s、1500m/s、2000/s、2500m/s、3000m/s、3500m/s。根据微地震信号的频谱分析，可知其主频在30Hz，数值模型选取主频30Hz，子波长度128ms的雷克子波，1ms采样，合成两个震源与三个震源的记录(如图4、图5所示)；其三个震源的激发时间分别为1s，2s，3s。

对比定位的结果：两点及三点的震源定位精度较好；水平和垂直方向相对距离的误差均小于1m(如图6柱状图显示)；其误差的精度均小于0.1％；验证此算法可行性。

实际资料选取的河页一井水力压裂资料的进行测试；射孔作为主事件；分别选择一个压裂产生的事件对其进行定位；测试算法的实用性；其定位的结果和微地震公司(MSI)的结果进行对比相对的误差。所有的测试文件都是已经相对射孔减去其射孔的动校正量，拾取的同向轴的时间和叠加道能量最强的时间相减的时窗作为双差算法的双差值。选取射孔(2s)记录(如图7所示)进行主事件进行单点定位；拾取能量较强的同向轴信息，进行定位，其三个方向误差小于15m(如图8柱状图显示)，之后的压裂事件测试是基于射孔的误差基础上进行。压裂事件为方便拾取同向轴信息，选取都是强事件(如图9所示)进行测试，精度提高了一倍；尤其是在垂直方向(如图10柱状图显示)；从而得到结论。

上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。

Claims (9)

1.一种基于双差法的微地震震源定位方法，其特征在于：所述方法选取射孔事件作为主事件，拾取微地震事件的观测走时，并通过计算射孔和微地震事件的观测走时与理论计算走时差的残差确定射孔和微地震事件的相对距离。

2.根据权利要求1所述的基于双差法的微地震震源定位方法，其特征在于：所述方法包括：

(0)读入压裂井周围的层状速度文件、各个检波器的坐标值、相对微地震事件的初始坐标值及各个检波器的观测走时；

(1)计算射孔及微地震事件到各个检波器的走时；

(2)拾取射孔及微地震事件的观测走时；

(3)计算射孔事件和微地震事件到各检波器的走时差，以及两个微地震事件到各检波器的走时差；

(4)计算射孔事件与微地震事件观测走时与理论计算走时差的残差；

(5)建立双差线性方程组；

(6)求解双差线性方程组，得到两个微地震震源的四个震源参数的相对值，最终确定微地震事件的震源位置。

3.根据权利要求2所述的基于双差法的微地震震源定位方法，其特征在于：所述方法还进一步包括：

(7)利用步骤(6)得到的微地震事件的真实位置对其地震剖面进行动校正，如校正之后的叠加的能量值大于初始给定的阀值，即为真实解；若小于初始给定的阀值，则返回步骤(2)。

4.根据权利要求1所述的基于双差法的微地震震源定位方法，其特征在于：所述步骤(1)是这样实现的：

根据射线理论，微地震事件i到检波器k的走时表示为：

$T_k^i={\mathrm{\τ}}^i+{\∫}_i^k\mathrm{uds}---\left(1\right)$

将其一阶泰勒展开：

$\frac{{\∂t}_k^i}{\∂\mathrm{\θ}}{\mathrm{\Δ\θ}}^i=r_k^i---\left(2\right)$

其中：Δθⁱ＝(Δxⁱ，Δyⁱ，Δzⁱ，Δτⁱ)，

5.根据权利要求4所述的基于双差法的微地震震源定位方法，其特征在于：所述步骤(2)是这样实现的：

通过互相关函数法或手动拾取方法拾取微地震事件、射孔到各个检波器的观测走时。

6.根据权利要求5所述的基于双差法的微地震震源定位方法，其特征在于：所述步骤(3)是这样实现的：

对(2)式做差得到如下的方程：

$\frac{{\∂t}_k^{\mathrm{ij}}}{\∂\mathrm{\θ}}{\mathrm{\Δ\θ}}^{\mathrm{ij}}={\mathrm{dr}}_k^{\mathrm{ij}}---\left(3\right)$

其中：Δθ^ij＝(Δx^ij，Δy^ij，Δz^ij，Δτ^ij)，为两个微地震震源参数的差，Δx^ij：两个微地震事件的x坐标的差；Δy^ij：两个微地震事件的y坐标的差；Δz^ij：两个微地震事件的z坐标的差；Δτ^ij：两个微地震事件发震时刻的差，为两个微地震事件的观测走时与理论计算走时差的残差。

7.根据权利要求6所述的基于双差法的微地震震源定位方法，其特征在于：所述步骤(4)是这样实现的：

两个微地震事件的观测走时与理论计算走时差的残差表示为：

${\mathrm{dr}}_k^i={(t_k^i-t_k^j)}^{\mathrm{obs}}-{(t_k^i-t_k^j)}^{\mathrm{cal}}---\left(4\right)$

其中，为i和j微地震事件的观测走时，为i事件的观测走时，为j事件的观测走时；为i和j微地震事件的理论计算走时，为i事件的理论计算走时，为j事件的理论计算走时。

8.根据权利要求7所述的基于双差法的微地震震源定位方法，其特征在于：所述步骤(5)是这样实现的：

将(3)式展开即为：

$\frac{{\∂t}_k^i}{\∂x}{\mathrm{\Δx}}^i+\frac{{\∂t}_k^i}{\∂y}{\mathrm{\Δy}}^i+\frac{{\∂t}_k^i}{\∂z}{\mathrm{\Δz}}^i+{\mathrm{\Δ\τ}}^i-\frac{{\∂t}_k^j}{\∂x}{\mathrm{\Δx}}^j-\frac{{\∂t}_k^j}{\∂y}{\mathrm{\Δy}}^j-\frac{{\∂t}_k^j}{\∂z}{\mathrm{\Δz}}^j-{\mathrm{\Δ\τ}}^j={\mathrm{dr}}_k^{\mathrm{ij}}---\left(5\right)$

将各检波器的所有两个微地震事件对形成的方程(5)联立得到的双差线性方程组：

Gθ＝d(6)

其中，G为偏导数矩阵，d为双差数据向量。

9.根据权利要求8所述的基于双差法的微地震震源定位方法，其特征在于：所述步骤(6)是这样实现的：

解双差线性方程组的收敛条件如下：

$\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Δ\θ}}^i=0---\left(7\right)$

要求全部的震源的四个参数Δx^ij、Δy^ij、Δz^ij和Δτ^ij整体变化为零；

利用LSQT法最小二乘求解(6)式，得到两个微地震震源的四个震源参数的相对值，即为两个震源的相对位置；

射孔的真实位置为已知，微地震事件的震源位置为其射孔的真实位置加上其四个相对值，具体如下：

设射孔的真实位置为x，y，z；求解(6)式得到的相对位置为Δx，Δy，Δz；则微地震事件的震源位置为：

x‘＝x+Δx

y‘＝y+Δyy

z’＝z+Δz。