CN105929445A - 微破裂向量扫描方法 - Google Patents

Abstract

微破裂向量扫描方法，包括以下步骤：(1)获得初始化数据，对微破裂监控数据进行预处理；(2)将监测目标区域网格化，建立地震波三维速度模型；(3)同步各台站相同时间段窗口指向网格点k的记录向量进行极性叠加，在向量极性叠加时舍弃直达纵波(P波)，使用直达横波(S波)进行权重的极性叠加；(4)针对每一网格点重复步骤(3)获得该时间段窗口所有网格点的破裂能量的三维扫描结果；(5)针对不同时间段窗口重复步骤(3)和步骤(4)得到监测目标区破裂能量的四维扫描分布。能够有效压制噪声增强有用信号，通过扫描地下破裂能量，实现对地下破裂点的有效定位。

Description

微破裂向量扫描方法

技术领域

本发明涉及地球物理勘探微地震定位技术，更具体的说涉及石油、矿产等工业领域内由天然构造活动或生产诱发的微破裂进行监测的向量扫描方法。

背景技术

油气矿产储层一般位于地下几百至几千米的深度，因而具有一定的地层压力。开井后，井口与储层有一个压力差，油气在这种压力差的驱动下，会沿井喷出。然而，随着储层在井附近的地层压力的逐渐释放，油气喷冒现象也逐渐减弱，直至停止，这就是通常的在开发早期的天然动能的释放过程。此后，必须实施岩石压裂，进行人工造缝。压裂后，由于储层中由支撑物支撑的(或由酸化作用造成的)数十米至数百米的裂缝带的形成，使油气渗出面积大量增加，得以增产。故压裂是提高采收率的一个重要生产措施。

油田矿产开发者非常关心压裂裂缝的时空分布，即通常所说的裂缝的长、宽、高、和走向，及其形成过程随时间的变化。若已知这类分布，则能够：(A)检查压裂的效应，对压裂过程参数，如压力、混合支撑物的排液量、或酸液等，实施调整，从而进一步实施压裂控制，直至可能的实时控制；(B)对注水(气)驱油生产过程中的井网布置提供极为重要的参考数据，从而开发专家能够据此以及驱油过程原理确定新的井位，或采取其他有效生产措施。因而，监测并影像压裂裂缝的空间时间分布具有重大意义，它是科学、合理地开发、了解和分析油气矿产动态特性、提高产量和最终采收率不可缺少的重要手段。

微地震压裂监测技术是在低渗透油气藏压裂改造领域中的一项重要技术。目前最可靠的微地震压裂检测方法是井下邻近观测法，其限制条件苛刻，需在邻近压裂井有现存或新钻的同等深度的监测井，在其中布设地震检波器实施观测，成本极高、实施过程复杂。而传统的地表布设地震台网观测法，由于天然构造活动或生产诱发的地下微破裂释放能量极为微弱，震级M≤0，通常震级M＝[-3，-1]，容易受周围噪声影响或遮蔽，通常不可能从地表背景噪音记录中看到凸显的压裂微破裂的地震响应波形，即不可能提取纵、横波初至，难以实现据初至推算震源的传统定位；即使对一点使用大量周围布点实施叠加以便凸显这种初至，由于等距密集布点，未能有效去除噪音的干扰，以及使用振幅小的纵波，监测成功率仅有不足10％。

在发明申请201310218220.7中公开了一种微破裂向量扫描方法，在地表稀疏布设压裂监测台站实现对地下破裂点的有效定位，但由于微破裂释放的能量极为微弱，通常震级M＝[-3，-1]，各稀疏布设的压裂监测台站受到的信号干扰各不相同，信噪比各不相同，进行叠加后获得的扫描结果噪声干扰仍然较大。

发明内容

为克服上述现有技术存在的技术问题，本发明提供了一种微破裂向量扫描方法，通过各台站记录向量的极性叠加且在向量极性叠加时舍弃直达纵波(P波)，使用直达横波(S波)进行极性叠加，且引入台站在扫描叠加中的权重W_i，能够有效压制噪声增强有用信号，通过扫描地下破裂空间释放的能量的方式，实现在地表稀疏布设压裂监测台站对地下破裂点的有效定位。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种微破裂向量扫描方法，包括以下步骤：

(1)获得初始化数据，对微破裂监控数据进行预处理；所述初始化数据包括获得多个用于监测压裂的三分量微震记录仪台站的经纬度坐标，围绕地下目标压裂点设定监测目标区域；

(2)将所述的监测目标区划分为多个网格点，根据勘探结果建立包括所述监测目标区和所述多个台站区域的地震波三维速度模型，根据三维速度模型利用3D射线追踪获得监测目标区内每一网格点到各台站的走时和入射方向；

(3)根据一指定网格点k到各台站的走时同步各台站相同时间段窗口内的压裂记录向量，将各台站该时间段窗口内的多个记录向量旋转至网格点k到各台站的入射方向后叠加获得网格点k的破裂能量；所述叠加应考虑各台站记录向量的正负极性，各台站记录向量的正负极性可通过穷举所有正负极性的可能性取叠加的最大破裂能量时的组合获得，或者通过各台站记录向量的相关性分析获得，或者结合上述两种方式分析获得；

各台站记录向量叠加的公式为：

$\begin{array}{cc}S\left(k\right)=\frac{\underset{j=1}{\overset{N}{\Σ}}{\[\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}(\±)f_{ij}{W}_i\]}^2}{F}& F=N\·.M\·\underset{f=1}{\overset{N}{\Σ}}\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}{\left(f_{ij}\right)}^2\end{array},$

其中，f_ij为第i个台站第j个记录样点指向网格点k的记录向量，它的指向由地下网格点k的微震射线到记录台站的入射方向确定，W_i为第i个台站在扫描叠加中的权重，F为归一因子，S(k)是向量极性叠加后的平方的集合，代表网格点k的破裂能量，在向量极性叠加时舍弃直达纵波(P波)，使用直达横波(S波)进行极性叠加，M指台站数量，N指台站各时间段窗口的记录样点的数量；

(4)对各网格点重复步骤(3)则获得监测目标区该时间段窗口所有网格点的破裂能量的三维扫描分布；

(5)针对不同时间段窗口重复步骤(3)和步骤(4)则获得多个时间段窗口的破裂能量的三维扫描分布，得到监测目标区破裂能量的四维扫描分布。

优选的，还包括以下步骤：(6)将不同时间段窗口破裂能量的三维扫描分布合并，用不同时间段窗口破裂能量的三维扫描分布中相同网格点k的最大破裂能量值表示网格点k的破裂能量，由大于设置的阈值的网格点k组成的最大区域，可确定压裂主裂缝的总长度和走向。

优选的，其中：步骤(4)中的权重W_i的确定方法为，首先设W_i＝1，计算每次去除一个台站i时的3D扫描输出与使用全部台站扫描输出的相关性C_i，通过以下公式得到最终的权重W_i

$\begin{array}{cc}{W}_i=\frac{\stackrel{\‾}{C}}{C_i},& \stackrel{\‾}{C}=\frac{1}{M}\underset{k=1}{\overset{M}{\Σ}}{C}_k.\end{array}$

优选的，其中：在步骤(2)中，还包括通过采集的台站数据修正走时的步骤，通过设置一个台站为参考台站，对各台站的走时错动一个修正量进行试算，在多次错动试算结果中，该台站与参考台站相关性最高的修正量为该台站最终的走时修正量。本步骤可以修正所构建的3D速度模型与真实速度分布的误差。

优选的，其中，压裂施工前，布设监测台站应选择噪音干扰小的“安静”的位置，该位置的安静程度应满足以下公式：

$A=100\×\frac{A^{\′}}{2^{b-1}},$

其中，A′是该位置记录仪记录的背景噪声的平均振幅，b是记录仪的位数，A是该位置台站记录质量，A值越小，接收条件越好，A小于1表示合格。

优选的，其中：一次错动试算的修正量的范围为1毫秒到80毫秒。

优选的，其中：在步骤(1)之后，进行步骤(4)的向量极性叠加之前，先以压裂施工前各台站对背景噪音的预监测数据，计算出各台站固定频率的震源噪音模型，将震源噪音模型反向后与各台站的压裂监测数据叠加消除固定频率的噪音干扰。

优选的，其中：步骤(4)的各台站记录向量叠加，只需使用5-6个有效的三分量微震记录仪台站。

优选的，其中：步骤(1)中的预处理包括对监控数据进行带通滤波，还包括进行带阻滤波以去除或压制地表具有相似频率和距该台站相似距离的数个机器引起的类似驻波噪音；并且，用于监测压裂的三分量微震记录仪台站设有SIM卡，在预监测和压裂数据监测中各台站还可以通过电信网络传输数据与远程控制中心通信。

优选的，其中：相关性计算采用以下公式：

r为相关性系数，x和y为两组记录的数据，和为两组记录的平均值。

本发明的微破裂向量扫描方法通过将地下监测目标区网格化，通过各台站记录向量的极性叠加且在向量极性叠加时舍弃直达纵波(P波)，使用直达横波(S波，通常振幅几倍于P波)进行极性叠加，且引入台站在扫描叠加中的权重W_i，有效屏蔽随机噪音，获得网格点的破裂能量，实现在地表监测微破裂信噪比低的情况下，对地下破裂点的有效定位。此外，通过已采集的台站数据对最小到时即走时表进行修正。在布设监测台站应数值化的选择噪音干扰小的“安静”的位置，进一步提高信噪比，降低噪音干扰。本发明的微破裂向量扫描方法具有成本低、不破坏环境、施工简单快速、实时处理数据的优势。

附图说明

图1是本发明微破裂向量扫描方法的流程图

图2是台站接收点处P、S、SH和SV波的定义图

图3多个台站在同一时段接受的微破裂信号对比图

具体实施方式

以某油井压裂监测项目的具体实施操作过程来介绍本发明的微破裂向量扫描方法的实施方式，其实施步骤如图1所示，包括如下步骤。

步骤S10：选择“安静”位置布设监测台站。

在距计划的地下压裂点在地面的投影点3km以内，同时距压裂车群(在钻井井口，不一定是上述投影点)1km以上的区域内，在围绕所述投影点的各个方位、各个距离上选择噪音干扰小的位置离散布设用于监测微破裂的M个三分量微震记录仪台站，(以下，简称台站)。为了获得较强的破裂信号，提高信噪比，台站应越接近压裂点地表投影点越好，但是压裂车群一般也置于投影点附近，其振动噪音巨大，台站又应远离它们。经过理论和大量的实验研究分析，在距压裂段地表投影点的3km范围内，同时距压裂车群1km以外的区域内，尽量选择噪音干扰小，距离所述投影点近的地方，围绕投影点在各个方位、各个距离上，离散的布设台站可以获得最佳信噪比，台站的布设应避免在绕地表投影点相同半径的圆周上(易增大垂向误差)。

从理论上说，最少用三个台站就能对地下破裂点进行扫描定位，但是在实际应用中，由于各种噪声的存在，微弱的有效信号根本不能进行统计意义上有效的叠加，从而不能对破裂点进行准确的定位。显然，台站的数量M越多扫描结果越准确，但过多则运算量过大运算时间过长，也没有必要，因此需根据目标区域的实际情况，如噪音情况选择8-50个为宜，本实施例布设25个台站。

一个台站的布设点噪音干扰是否小，也就是是否“安静”，必须定量地确定，而不是以人的感觉为准。所谓“安静”，是指台站布设点记录的平均振幅较小，除有用信号外，任何与压裂无关的的有规律的振动记录不占主导地位。为定量确定台站记录质量，我们定义一个台站记录的台站记录质量A：对一个24位记录仪，当放大倍数为340，检波器的灵敏度为400mV/cm/s，A是此台站三分量检波器的平均振幅(A′)相对于记录半量程(2²³)的百分比，即

$A=100\×\frac{A^{\′}}{2^{b-1}},$

其中，A′是该位置记录仪记录的背景噪声的平均振幅，b是记录仪的位数，A是该位置台站记录质量，A值越小，说明接收条件越好，A小于1表示合格，A越小越好。

表1具体规定了“安静”台站布设点的判断条件。这些数值可由24位记录仪器记录经数据处理判定。即通过公式判定。

表1 台站布点是否“安静”的判断条件，

所述的台站的检波器的外壳为带螺纹的柱状体，在埋设时使用螺纹匹配且直径略小于检波器外壳的钻垂直地面钻出一个洞，再将检波器旋入洞中，使检波器和洞壁作紧配合，不破坏地表的原来密度，不破坏土质的整体性，达到检波器和大地的高度耦合，可以大大提高监测数据的有效性。

所述的台站对压裂过程实施监测记录的监测数据，记录向北方向(N)震动、向东方向(E)震动和垂直地面(Z)三个方向的震动向量，记录样点的采样点间隔应在0.5ms至4ms，本实施例的的采样点间隔为2ms，即每台站每秒钟有500个记录样点，可获得500个记录向量。同时所述的台站通过高精度的GPS定位获得各台站布设的经纬度坐标，经纬度坐标精度在5-15m。通过高精度的GPS授时(格林威治时间)保持各台站的时间高度一致，GPS的授时精度在1.0E-7秒，使得各台站可以独立工作，不必联网统一时间。

步骤S20：进行预监测和压裂数据监测。

在压裂施工开始前一段时间进行预监测，记录背景噪音数据，如施工开始前1小时就开始对背景噪音进行采集，用于屏蔽周期性的噪音干扰。

在压裂车群对目标区实施压裂过程中和压裂施工结束之后一段时间内进行压裂监测，记录监测数据，采集压裂微破裂信号，如压裂施工结束后再记录1小时，这是因为压裂施工完成之后，储层在压力的作用下还会继续产生裂缝，直到地下压力建立新的平衡为止。以往用于监测压裂的三分量微震记录仪台站设有离散布设时的通信模块(它们使用等距连线或Wifi，限制了有效安静点的选择)，本发明的各台站的微震记录仪的通信模块，可加装SIM卡，在预监测和压裂数据监测中各台站还可以通过电信网络传输数据与远程控制中心通信，便于实时了解数据采集情况；而且可以通过外部控制系统实现对微震记录仪的远程控制。

步骤S30：获得初始化数据，对监测数据进行预处理。

所述初始化数据可包括：

(1)获得各台站的经纬度坐标。

(2)获得各台站的启动关闭时刻，将各台站分别采集的数据进行时间同步化。在采集过程中，由于各个台站是独立的采集系统，每个台开始工作的时间不一定相同，因此就要对数据进行时间同步化，保证全部数据时序的统一整体。如果各个台站通过网络系统连接由统一的服务器控制，可实现时间上的同步，则可省略该步骤。

所述预处理可包括：

(1)将各台站数据转换成为较通用的SEG-Y格式。

(2)去除坏台数据，将由于台站故障、采样点间隔不正确、GPS授时不正确等原因导致数据无法使用的坏的台站数据去除。

(3)对各台站数据进行整体质量检查，将干扰强烈的台站数据进行剔除。干扰强烈的台站数据可能是由于特殊地面干扰噪音源、野外布设台站操作的问题引起的，当某一台站监测数据记录向量表示的微破裂信号的均值大于设定的阈值时可认为其受到强烈的干扰应将其剔除，阈值可根据经验设定，也可根据各台站微破裂信号的均值的2倍以上设定。如图2所示，编号为003、007、014、015、016、019、025的7个台站在同一时段接受的向北方向(N)、东方向(E)和垂直地面(Z)三个方向的震动向量的微破裂信号对比图，可见007号台站和025号台站明显受到强烈的背景噪声影响。

(4)对台站数据进行去噪处理。包括进行带通滤波，去除尖脉冲干扰和零漂，滤波范围在1-45Hz，滤去高、低频信号。去除或压制固定频率的地表振动干扰噪音。进行带阻滤波，去除或压制地表具有相似频率和距台站相似距离的数个机器引起的类似驻波噪音的噪音。去除目标区外来震记录(非目标区地震释放能量)。因纵波到得早，横波到得晚，这个时差大于0.5-1秒时可以认定是来自外目标区外的地震。去除地面强噪音源引起的干扰，如车辆等，当振幅异常大时可认定为是突发的地面强噪音源引起的干扰。

步骤S40：将监测目标区域网格化，建立地震波三维速度模型，利用3D射线追踪获得每一网格点到各台站的走时即最小到时和入射方向，通过已采集的台站数据之间的相关性对走时进行修正。

根据目标压裂点的经纬度坐标，围绕地下目标压裂点设定微破裂向量扫描监测目标区域，将监测目标区域设定为1000mX1000mX600m，将压裂监测目标区划分为K个网格，每个网格的边长在10-20m为宜。监测目标区域越大则运算量则越大，因此可以根据压裂计划选择合适的扫描范围，在必要时可将扫描目标区域扩大进行补算。

根据压裂目标区的勘探结果，确定压裂目标区的地震波速度的三维分布，建立包括所述监测目标区和所述台站区域的三维速度模型。在对目标区进行压裂前通常需要对目标区进行勘探形成勘探结果用于制定压裂方案，所述的勘探结果包括声波测井数据、或勘探解释结果、或反演层数度数据以及其他任何可作为约束的信息，或者是上述数据的结合。

根据三维速度模型和各台站的经纬度坐标利用3D射线追踪获得监测目标区内每一网格点k到各台站的最小传播时间的射线，进而得到走时和入射方向。所述入射方向包括入射角、方位角和倾角，所述k的范围为1-K。根据每一网格点k到各台站的最小到时形成走时表，为扫描计算各点的破裂能量释放做准备。

在进行微破裂向量扫描时，尽管我们通常可以从应用方获得勘探处理的一般当地地下速度模型和声波测井数据，但它们通常是不完整的3D模型的一部分，使用这类数据对计算入射角、方位角和倾角，以及两点间地震波传播最小到时均可能有偏差，从而导致扫描结果的误差，因此应该修正速度模型的误差。

我们无法做到修正入射角、方位角和倾角，但可以通过已采集的台站数据对最小到时即走时表进行修正。设置一个台站为参考台站，对各台站的最小到时适当错动一个修正量dt进行试算，在多次错动试算结果中，该台站与参考台站相关性最高的修正量dt为该台站最终的走时修正量；即在时间段窗口中适当错动各台站记录的时间数值，使用相似性原则修正速度模型的误差。对各台站相对于参考台站应当错动多少，应当试算，因为不大可能获得所谓精确的速度模型。我们知道，若在某一时间段窗口内，若扫描点附近没有微震，且各台记录是随机的，无论如何修正它们的走时，其振幅叠加均是低相关的；反之，某一时间段窗口内有微震，通过反复试算两台站之间的相关性，总能找到相关性最高的走时修正量。即在叠加公式中，对时间窗口内样点j＝1，N的叠加，赋予一个试算修正量dt，比如几十毫秒的错动试算，由台站分布和目标深度确定。如此可以修正速度模型引起的误差。基于原有的走时表，各台站的距离，试算确定的具有微震记录的时间窗口，可以大大缩小运算量。优选一次错动试算的修正量dt的最大范围约为1毫秒到80毫秒。其中，相关性计算可以采用以下公式，相关性系数r

$r=\frac{\underset{i}{\Σ}(x_i-\stackrel{\‾}{x})(y_i-\stackrel{\‾}{y})}{\sqrt{\underset{i}{\Σ}{(x_i-\stackrel{\‾}{x})}^2}\sqrt{\underset{i}{\Σ}{(y_i-\stackrel{\‾}{y})}^2}}$

其中，x和y为两组记录的数据，和为两组记录的平均值。当然也可以采用其它相关性的分析公式。

步骤S50：用预监测数据消除固定频率噪音干扰。

消除固定频率的噪音干扰，以压裂施工前各台站对背景噪音预监测数据，计算出各台站固定频率的震源噪音(如抽油机引起的干扰振动)模型，将震源噪音反向模型与各台站的压裂监测数据叠加。固定频率的来源如附近正在生产的油井。

步骤S60：实施扫描计算。同步各台站相同时间段窗口指向网格点k的记录向量，旋转至入射方向，舍弃直达纵波(P波)，使用直达横波(S波)进行极性叠加，获得网格点k的破裂能量。

将各台站记录的监测数据以一定的时间长度划分为多个子时间段窗口，如本实施例以2.5分钟即150秒为一子时段，以采样点间隔为2ms计算，每个台站每个子时间段窗口可获得75000个记录向量。子时间段窗口的时间长度范围通常在60-300秒，可获得较好的精度和效率。根据一指定网格点k到各台站的最小到时同步各台站相同时间段窗口内的压裂记录向量，将各台站该时间段窗口内的多个记录向量旋转至网格点k到各台站的入射方向后叠加获得网格点k的破裂能量；所述叠加应考虑各台站记录向量的正负极性，各台站记录向量的正负极性通过各台站记录向量的正负相关性分析获得。其公式为，相关性系数r

$r=\frac{\underset{i}{\Σ}(x_i-\stackrel{\‾}{x})(y_i-\stackrel{\‾}{y})}{\sqrt{\underset{i}{\Σ}{(x_i-\stackrel{\‾}{x})}^2}\sqrt{\underset{i}{\Σ}{(y_i-\stackrel{\‾}{y})}^2}}$

其中，x和y为两组记录的数据，和为两组记录的平均值。当然也可以采用其它相关性的分析公式。

在叠加时应考虑记录向量的入射方向，即将记录样点的记录向量旋转至网格点k的入射方向，以压制地表噪声，增强有用信号。同时还应考虑记录向量的极性即正负号问题，不能简单地叠加，这是由地下微破裂的剪切特性决定的。通过将各台站的多个记录向量极性叠加，可有效去除各种随机噪音的干扰，增强有效信号。

在叠加前可再对各台站各子时段的数据进行一次质量检查，将残余干扰强烈的台站数据进行剔除，可更好的压制地表噪声干扰，方法与预处理阶段类似，可通过设定的阈值的方式进行质量检查。当某一台站该时间段窗口的监控数据记录向量表示的微破裂信号的均值大于设定的阈值时可认为其受到强烈的干扰将该台站剔除。

将记录向量叠加的方式有多种，最常用的如Semblance叠加，本实施例以Semblance叠加为基础经过改造后进行，具体公式如下：

$\begin{array}{cc}S\left(k\right)=\frac{\underset{j=1}{\overset{N}{\Σ}}{\[\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}(\±)f_{ij}{W}_i\]}^2}{F}& F=N\·.M\·\underset{f=1}{\overset{N}{\Σ}}\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}{\left(f_{ij}\right)}^2\end{array},$

其中，f_ij为第i个台站第j个记录样点指向网格点k的记录向量，它的指向由地下网格点k的微震射线到记录台站的入射方向确定，W_i为第i个台站在扫描叠加中的权重，F为归一因子，S(k)是向量极性叠加后的平方的集合，代表网格点k的破裂能量，在向量极性叠加时舍弃直达纵波(P波)，使用直达横波(S波)进行极性叠加。M指台站数量，N指台站各时间段窗口记录样点的数量。

由于我们测量的多是地面速度，而速度的平方与能量成正比，通过矢量迭加网格点k到各台站记录的信号振幅的平方，并使用归一化因子F，即得出网格点k的破裂能量S(k)。F为适当的归一因子，用于适当校正每个台站的三个分量，以消除每个台站噪音的差距，以消除不同时窗的差别，以便不同长短时段的输出可比。

在叠加时考虑向量的入射方向和极性，这是由地下微破裂的剪切特性决定的，即地下微破裂，无论是天然地震或油气生产诱发的破裂，包括压裂破裂，绝大多数是剪切滑动或具有剪切成分。剪切破裂的特征是既有直达纵波(P波)、也有直达横波(S波)的产生与传播，且通常S波振幅大于P波振幅。剪切破裂信号的另一个重要特性是，无论那个分量，各台站观测到的初动极性一般不同。对于P波，我们不知道剪切破裂的走向、倾向和倾角，故将所记录的台站波动向量旋转至入射方向，叠加各入射向量，以压制地表噪声，增强有用信号。对于S波，由于不知其最大振动方向，可分别使用其分量SV和SH来获得空间的破裂释放能量分布。这里，SV和SH分别为射线平面内的和垂直射线平面的横波，它们的合成即是S波。接收点处P、S、SH和SV波的定义如图2所示。计算波形的能量输出时，使用台站的记录向量对准扫描点；基于步骤S40建立的地震波三维速度模型获得的观测点台站相应于扫描点的入射角、方位角和倾角、与两点间地震波传播全路径走时；就可确定观测点扫描向量、S波振动平面、SH波和SV波的振动方向；使用空间转向矩阵，将3分量记录数据投影到一个波的振动方向，并与其它台站的同波到时的记录投影叠加，即得该波形的能量输出。特别的是，在叠加时舍弃直达纵波(P波)，使用直达横波(S波)表示波形的能量输出，这是本发明的重要突破；直达纵波(P波)和直达横波(S波)均是地下微破裂能量的重要信号特征，现有所有的地震监测、微破裂监测中都是用P波和S波表示波形的能量输出，通过叠加压制噪音部分，没有人把信号部分P波舍弃的。申请人经实验对比发现通过直达横波(S波)的极性叠加可获得更佳的信噪比结果，这与采用极性叠加具有一定相关性。

每种波的向量叠加均涉及正负号问题，即指向或背离入射方向，不能简单地叠加，而应对所有的可能性叠加取最大能量的组合，并输出相应的台站向量正负极性分布，这也是目标区破裂机制在地表的反映。

对任一台站、任一时刻其指向地下空间一点的破裂振动向量只能指向或背离目标点两种情况，即正相(+)或负相(-)，由于采用向量相叠加后的平方，如[+，+，-]的叠加输出结果与[-，-，+]的输出结果一致，这样对于一个M个台站的台网，为确定各台站正负极性分部的叠加试算的总次数为2^M-1，故计算量极大。可替换的方法是，在叠加前对所有向量记录进行相关分析，或结合使用上述两种方法。在油田的地表监测中，通常不能直接“看到”有用破裂信号，但只要各波动向量的随机噪声信号中含有有用信号，各向量就有一定的相关性，在相关分析中同时就确定了它们在叠加中的正负号，也即破裂机制。

本发明在向量扫描过程中加入权重参数W_i，W_i为第i个台站记录在扫描叠加中的权重，由此台站向量记录的信噪比S/N的大小决定，换句话说，由此台站向量记录对微震点附近的较高破裂能量分布与压制残余噪声效应的贡献程度决定，与台站距监测目标的距离和台站本处背景噪音大小均有关，信噪比S/N越大，此台站记录贡献越大，但我们并不知道各台站的信噪比S/N的值。因此，本发明提供了一种确定各台站的权重W_i的方法，首先，设W_i＝1，计算并考察每次去除任一台站时的3D扫描输出与使用全部台站扫描输出的相关性C_i，例如，可得表2。由表2的定量的相关系数C_i，在最后的计算中，通过公式 得到最终的权重W_i，为平均相关系数。其中相关系数可以采用本发明前述的相关性公式计算，也可以采用其它相关性计算方法。

表2 以15个台站S波的扫描输出为标准的例子，每次去除任一台站时的输出与使用全部台站输出的相关性结果。

本发明通过加入权重参数W_i和速度模型走时表的修正，可以有效提高信噪比，使得只要采用至少5个有效的台站记录，即可实现微破裂向量扫描，能够“看”到压裂裂缝。经大量实际检验，已获得常用的最小扫描叠加有效台站数N_min，即只需使用N至少5个有效的三分量微震记录仪台站。

步骤S70：对各网格点重复步骤S60则获得监测目标区该时间段窗口所有网格点的破裂能量的三维扫描分布。

步骤S80：针对不同时间段窗口重复步骤S60、S70则获得多个时间段窗口的破裂能量的三维扫描分布，得到监测目标区破裂能量的四维扫描分布。

步骤S90：对扫描结果进行解释获得裂缝带的长度和走向。

利用能量最大值的空间分布及能量的梯度变化对地下破裂点定位，通过设定阈值对扫描结果进行过滤，对大于设置的阈值的网格点可认为是有效的破裂点。所述的阈值可设置为所有网格点最大破裂能量值的60％～70％

将不同时间段窗口破裂能量的三维扫描分布合并，用不同时间段窗口破裂能量的三维扫描分布中相同网格点k的最大破裂能量值表示网格点k的破裂能量，由大于设置的阈值的网格点k组成的有效的破裂点的最大区域，可确定压裂主裂缝的长度和走向。

对于目标压裂点远处的有效的破裂点与目标压裂点近处的有效的破裂点之间有明显的低值带相隔的，即可认为它们不连通，不属于有效的压裂裂缝。

将不同时间段窗口破裂能量的三维扫描分布进行比较，可确定主裂缝随时间的变化，各破裂点的先后顺序和走向，对后续的压裂施工有重要的参考意义。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理和构思的前提下，还可做出若干简单推演或替换，都应视为属于本发明的保护范围。例如基于其中基本思路和处理方法，即“针对任何辐射或反射信号微弱的目标，如隐形飞机、太空中的电磁波辐射源、地下微破裂等，同样可以使用监测阵观测，针对某些物理参数，经适当数据处理后，影像目标的时空分布”，可以被应用到很多领域，如水下潜艇监测、市政等工程施工前的地下岩土体内的结构和目标非必要开挖的估计、考古和刑侦开挖取证前的估计等。

Claims (10)

1.一种微破裂向量扫描方法，包括以下步骤∶

(1)获得初始化数据，对微破裂监测数据进行预处理；所述初始化数据包括获得多个用于监测压裂的三分量微震记录仪台站的经纬度坐标，围绕地下目标压裂点设定监测目标区域；

(2)将所述的监测目标区划分为多个网格点，根据勘探结果建立包括所述监测目标区和多个台站区域的地震波三维速度模型，根据三维速度模型利用3D射线追踪获得监测目标区内每一网格点到各台站的走时和入射方向；

(3)根据一指定网格点k到各台站的走时同步各台站相同时间段窗口内的记录向量，将各台站该时间段窗口内的多个记录向量旋转至网格点k到各台站的入射方向后叠加获得网格点k的破裂能量；所述叠加应考虑各台站记录向量的正负极性，各台站记录向量的正负极性可通过穷举所有正负极性的可能性取叠加的最大破裂能量时的组合获得，或者通过各台站记录向量的相关性分析获得，或者结合上述两种方式分析获得；

各台站记录向量叠加的公式为：

$\begin{array}{cc}S\left(k\right)=\frac{\underset{j=1}{\overset{N}{\Σ}}{\[\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}(\±)f_{ij}{W}_i\]}^2}{F}& F=N\·.M\·\underset{f=1}{\overset{N}{\Σ}}\underset{j=1}{\overset{M}{\Σ}}{\left(f_{ij}\right)}^2\end{array},$

其中，f_ij为第i个台站第j个记录样点指向网格点k的记录向量，它的指向由地下网格点k的微震射线到记录台站的入射方向确定，W_i为第i个台站在扫描叠加中的权重，F为归一化因子，S(k)是向量极性叠加后的平方的集合，代表网格点k的破裂能量，在向量极性叠加时舍弃直达纵波(P波)，使用直达横波(S波)进行极性叠加，M指台站数量，N指台站各时间段窗口的记录样点的数量；

(4)对各网格点重复步骤(3)则获得监测目标区该时间段窗口所有网格点的破裂能量的三维扫描分布；

(5)针对不同时间段窗口重复步骤(3)和步骤(4)则获得多个时间段窗口的破裂能量的三维扫描分布，得到监测目标区破裂能量的四维扫描分布。

2.根据权利要求1所述的微破裂向量扫描方法，其中，还包括以下步骤：

(6)将不同时间段窗口破裂能量的三维扫描分布合并，用不同时间段窗口破裂能量的三维扫描分布中相同网格点k的最大破裂能量值表示网格点k的破裂能量，由大于设置的阈值的网格点k组成的最大区域，可确定压裂主裂缝的总长度和走向。

3.根据权利要求1所述的微破裂向量扫描方法，其中：步骤(4)中的权重W_i的确定方法为，首先设W_i＝1，计算每次去除一个台站i时的3D扫描输出与使用全部台站扫描输出的相关性C_i，通过以下公式得到最终的权重W_i

$\begin{array}{cc}{W}_i=\frac{\stackrel{\‾}{C}}{C_i},& \stackrel{\‾}{C}=\frac{1}{M}\underset{k=1}{\overset{M}{\Σ}}{C}_k.\end{array}$

4.根据权利要求1所述的微破裂向量扫描方法，其中：在步骤(2)中，还包括通过采集的台站数据修正走时的步骤，通过设置一个台站为参考台站，对各台站的走时错动一个修正量进行试算，在多次错动试算结果中，该台站与参考台站相关性最高的修正量为该台站最终的走时修正量。

5.根据权利要求1所述的微破裂向量扫描方法，其中，压裂监测前，布设监测台站应选择噪音干扰小的“安静”的位置，该位置的安静程度应满足以下公式：

$A=100\×\frac{A^{\′}}{2^{b-1}},$

其中，A′是该位置记录仪记录的背景噪声的平均振幅，b是记录仪的位数，A是该位置台站记录质量，A值越小，接收条件越好，A小于1表示合格。

6.根据权利要求4所述的微破裂向量扫描方法，其中：一次错动试算的修正量的范围为1毫秒到80毫秒。

7.根据权利要求1所述的微破裂向量扫描方法，其中：在步骤(1)之后，进行步骤(4)的向量极性叠加之前，先以压裂前各台站对背景噪音的预监测数据，计算出各台站固定频率的震源噪音模型，将震源噪音模型反向后与各台站的压裂监测数据叠加消除固定频率的噪音干扰。

8.根据权利要求3或4或5所述的微破裂向量扫描方法，其中：步骤(4)的各台站记录向量叠加，只需使用5-6个有效的三分量微震记录仪台站。

9.根据权利要求1所述的微破裂向量扫描方法，其中：步骤(1)中的预处理包括对监控数据进行带通滤波，还包括进行带阻滤波以去除或压制地表具有相似频率和距该台站相似距离的数个机器引起的类似驻波噪音；并且，用于监测压裂的三分量微震记录仪台站设有SIM卡，在预监测和压裂数据监测中各台站还可以通过电信网络传输数据与远程控制中心通信。

10.根据权利要求1或3或4所述的微破裂向量扫描方法，其中：相关性计算采用以下公式：

r为相关性系数，x和y为两组记录的数据，和为两组记录的平均值。