CN106990435A - 一种减弱依赖初至拾取精度的微震定位方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微震定位方法及装置，属于微震监测领域，具体是涉及一种减弱依赖初至拾取精度的微震定位方法及装置。本发明在传统定位最优化目标函数的误差项中加入了误差加权系数r,使得常规微震定位方法的定位精度减弱了对初至拾取精度的依赖，通道中只要有2/3的通道走时拾取准确，均能取得较好的定位效果。

Description

一种减弱依赖初至拾取精度的微震定位方法及装置

技术领域

本发明涉及一种微震定位方法及装置，属于微震监测领域，具体是涉及一种减弱依赖初至拾取精度的微震定位方法及装置。

背景技术

随着微震监测技术在石油、煤田领域的不断推广应用，微震监测涉及的正演、反演等问题得到科研人员的广泛关注。在微震监测方法应用中，微震事件反演定位方法的科学性、稳定性，计算精度和效率，始终是微震监测方法研究及其工程技术研究所需面对的核心技术问题，尤其是微震事件反演定位的精度，直接决定着微震监测技术在实际应用的效果。

目前，大多数定位方法都源于1912年Geiger提出的经典定位算法，该方法根据微震信号拾取每个微震事件的走时，再通过求取目标函数的极小值或者求解方程组，得到震源的时空参数。该方法的定位精度严重依赖于微震走时的拾取精度，拾取的走时精度越高，得到的定位结果越准确，反之，定位精度降低。在实际的应用过程中发现，在全自动或者人工拾取初至时，往往会存在个别通道信号由于信噪比较低或者波场不清晰，导致拾取的走时偏差较大、甚至是错误的，这样导致后续的定位精度会大大降低，甚至定位精度已不能满足实际应用要求，降低微震成果解释精度。

发明内容

本发明主要是解决现有技术所存在的因走时测量误差导致的微震定位精度低的技术问题，提供了一种减弱依赖初至拾取精度的微震定位方法及装置。该方法及装置在通道中有大多数通道(至少2/3)初至拾取精度较高的条件下，能够精确得到微震震源的时空参数。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种减弱依赖初至拾取精度的微震定位方法，包括：

事件提取步骤，用于根据先提取出的标准地震子波进行信号相关分析以提取微震事件；

走时确定步骤，用于拾取每个通道微震信号P波的微震事件走时；

震源定位步骤，用于采用纵波初至定位震源求解下属目标函数极小值，解出发震延迟时刻和震源坐标；

迭代求解步骤，用于根据定位算法修正误差，迭代求解所述目标函数的解直到解出最优解。

优选的，上述的一种减弱依赖初至拾取精度的微震定位方法，所述事件提取步骤具体包括以下子步骤：

子波提取子步骤，用于从已采集的信号x(t)中选取一个微震事件信号，长度包括从初至起跳开始到震动衰减结束，设信号为w(t)；

信号提取子步骤，用于将抽取的信号w(t)与原始信号x(t)进行互相关得到互相关函数：

其中，N为地震序列长度；通过互相关函数R(τ)的极值找到原始信号中对应的多个微震事件信号。

优选的，上述的一种减弱依赖初至拾取精度的微震定位方法，所述震源定位步骤中，纵波走时的计算基于以下公式：

其中t_i为第i个传感器的观测到时，(x_i,y_i,z_i)为第i个传感器的坐标，(x₀,y₀,z₀)为震源坐标，t₀为发震延迟时刻，v为地震波传播的平均速度。

优选的，上述的一种减弱依赖初至拾取精度的微震定位方法，将已有的地球物理参数作为已知条件和约束条件，求解以下目标函数的极小值，解出发震延迟时刻和震源坐标：

其中：

d_k＝|E_k-E_mid|

表示第k个台站的模拟波至时间，表示第k个台站的观测波至时间，E_k表示第k个台站的计算误差，E_mid表示N个台站误差中值，N为台站个数，p为范数。

优选的，上述的一种减弱依赖初至拾取精度的微震定位方法，所述迭代求解步骤具体包括以下子步骤：

步骤5.1，给定网格搜索的空间范围(Xmin，Xmax)、(Ymin,Ymax)、(Zmin、Zmax)及(T0min,T0max)，给定网格尺寸dx、dy、dz、dt0，并由下式确定网格数：

步骤5.2，遍历每个网格，按下式求取每个网格节点的误差值E:

d_k＝|E_k-E_mid|

表示第k个台站的模拟波至时间，表示第k个台站的观测波至时间，E_k表示第k个台站的计算误差，E_mid表示N个台站误差中值(中位数)，N为台站个数，p为范数，p取1或2；

步骤5.3，求取获得的Nx*Nz*Nz*Nt0个E中的最小误差E0，E0对应的x0、y0、z0、t0即为最优解，即(x₀,y₀,z₀)为震源坐标，t₀为发震延迟时刻。

一种减弱依赖初至拾取精度的微震定位装置，包括：

事件提取模块，用于根据先提取出的标准地震子波进行信号相关分析以提取微震事件；

走时确定模块，用于拾取每个通道微震信号P波的微震事件走时；

震源定位模块，用于采用纵波初至定位震源求解下属目标函数极小值，解出发震延迟时刻和震源坐标；

迭代求解模块，用于根据定位算法修正误差，迭代求解所述目标函数的解直到解出最优解。

因此，本发明具有如下优点：在传统定位最优化目标函数的误差项中加入了误差加权系数r,使得常规微震定位方法的定位精度减弱了对初至拾取精度的依赖，通道中只要有2/3的通道走时拾取准确，均能取得较好的定位效果。

附图说明

图1为本发明的流程图。

图2是所有初至拾取正确时的定位结果示意图。

图3是第2道初至拾取错误时使用本发明处理后的定位结果示意图。

图4是第2道初至拾取错误时使用本发明处理的定位结果。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

1、微震事件快速检测

微震监测设备长时间、连续、高密度记录采集的数据，通过事件检测方法从海量数据中快速准确地获取有效的地震事件来进行微震事件定位；

根据微震信号各通道间具有相似性，可以先提取一个标准的地震子波，然后利用信号相关分析技术，能够将监测到的每个微震事件提取出来。

上述的事件检测方法的具体步骤为：

从已采集的信号x(t)中选取一个微震事件信号，长度根据信号特征而定，一般包括从初至起跳开始到震动衰减结束，设信号为w(t)；

用抽取的w(t)与原始信号x(t)进行互相关，求取互相关函数：

通过互相关函数R(τ)的多个极值，可以找到原始信号中对应的多个微震事件信号。

2、对检测的微震事件，通过全自动或者人工拾取每个通道微震信号P波的微震事件走时，用于后续的微震事件定位；

(3)基于P波走时的微震震源定位：

震源定位主要采用纵波(P波)初至，即每个传感器接收到的每个震源发出信号的纵波传播时间即纵波走时，计算公式如下：

其中t_i为第i个传感器的观测到时，(x_i,y_i,z_i)为第i个传感器的坐标，(x₀,y₀,z₀)为震源坐标，t₀为发震延迟时刻，v为地震波传播的平均速度，通过已有的地球物理参数作为已知条件和约束条件，利用最小二乘原理求解上述方程，即求解下属目标函数的极小值，解出的结果包括发震延迟时刻和震源坐标。

其中：

d_k＝|E_k-E_mid|

表示第k个台站的模拟波至时间，表示第k个台站的观测波至时间，E_k表示第k个台站的计算误差，E_mid表示N个台站误差中值(中位数)，N为台站个数，p为范数，通常p取1或2。

(4)选择全局网格搜索优化算法求解上述最优化目标函数，并按上述目标函数中的加权系数修正误差，解出最终的最优解，从而确定微震震源坐标，实现微震震源定位。具体步骤如下：

1)给定网格搜索的空间范围：(Xmin，Xmax)、(Ymin,Ymax)、(Zmin、Zmax)及(T0min,T0max)；

2)给定网格尺寸dx、dy、dz、dt0，并由下式确定网格数：

3)遍历每个网格，按下式求取每个网格节点的误差值E。

d_k＝|E_k-E_mid|

表示第k个台站的模拟波至时间，表示第k个台站的观测波至时间，E_k表示第k个台站的计算误差，E_mid表示N个台站误差中值(中位数)，N为台站个数，p为范数，通常p取1或2。

遍历完所有节点共求得Nx*Nz*Nz*Nt0个E值；

4)求3)中获得的Nx*Nz*Nz*Nt0个E中的最小误差E0；

5)E0对应的x0、y0、z0、t0即为最优解，即(x₀,y₀,z₀)为震源坐标，t₀为发震延迟时刻

本发明通过修改传统定位最优化目标函数中的误差项，即在传统定位最优化目标函数的误差项中加入了误差加权系数r,使得常规微震定位方法的定位精度减弱了对初至拾取精度的依赖，引入加权系数r的具体意义在于：认为上述误差中值为统计意义下比较稳定的、拾取精度较高的微震信号道(实际应用时可采用均值，但存在平均效应)，计算得到的误差离该中值误差越远，加权系数越小，反之，计算得到的误差离该中值误差越近，加权系数越大。如此以来，若存在个别微震信号道拾取误差较大或者错误的情况，计算得到的误差离该中值误差较远，加权系数较小，通过乘以一个加权系数，将该道的影响大大被削弱。若某道的计算走时和拾取走时相等(d_k＝0)，则加权系数为1，该道影响值最大。因此，定位精度会显著提高，大大削弱了定位精度对初至拾取精度的依赖。通过理论数据的测试，所有通道中只要有2/3的通道走时拾取准确，均能取得较好的定位效果。

从上述最优化目标函数可以看出，传统定位方法是对误差的一个简单累加，当存在个别微震信号道拾取误差较大或者错误的情况，误差变大，累加后该道误差贡献作用被放大，这也是传统方法定位精度对初至拾取精度的依赖很强的关键所在。

实施例1：本发明中所述的定位误差处理效果实例。

如表1所示，若在定位过程中计算得到的5个通道的绝对误差分别为E(i)＝{0.01、0.02、0.03、0.015、0.1}，从绝对误差的值可以看出，E(5)＝0.1的通道误差明显高于其他通道误差10个数量级，可以判断是由于走时拾取误差引起的。利用本发明中误差处理技术，计算的新误差E(5)由0.1变为0.023809524，而其他误差仅有略微变化，大大降低了E(5)对误差的贡献(理论上由于第5道数据拾取错误，应该不参与计算，即E(5)＝0)，必然会提高定位精度。

实施例2：本发明定位效果实例

如图2-图3，是对本发明中所述定位方法与常规定位方法的对比效果。具体的物理问题描述为：边长为500的正方体的8个顶点各放置1个传感器，接收来自正方体中心位置(250,250,250)处的微震震源，很容易判断，每个传感器接收的微震信号走时相等。反演问题描述为：根据上述描述，利用每个传感器接收的微震信号，反演定位，求取震源的位置。

如图2所示，当拾取走时(黑)都正确时，反演定位结果为(250,250,250)，返回的走时(灰)与拾取走时吻合，说明反演结果正确。

如图3所示，当拾取走时中，有一通道拾取走时明显错误时(第2通道)，使用本发明专利的定位方法计算结果为(x＝250.0，y＝250.0，z＝250.0)，返回初至(灰)与拾取初至(黑)吻合，说明本专利中所述的定位方法对初至拾取精度的依赖性很低。

如图4所示，当拾取走时中，有一通道拾取走时明显错误时(第2通道)，使用常规的定位方法计算结果为(x＝310.2，y＝189.8，z＝183.24)，定位结果评判为错误，返回初至(灰)与拾取初至(黑)不吻合，说明常规的定位方法的定位精度严重依赖于初至拾取精度，仅有1个通道初至拾取错误，都会严重影响定位结果。

表1微震震源定位误差处理效果表

序号	旧误差	误差中值	各误差距离	距离求和	加权系数	新误差
							1	0.01	0.02	0.01	0.105	0.904761905	0.009047619
2	0.02	0.02	0	0.105	1.0	0.02
							3	0.03	0.02	0.01	0.105	0.904761905	0.027142857
4	0.015	0.02	0.005	0.105	0.952380952	0.014285714
							5	0.1	0.02	0.08	0.105	0.238095238	0.023809524

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (6)

1.一种减弱依赖初至拾取精度的微震定位方法，其特征在于，。包括：

事件提取步骤，用于根据先提取出的标准地震子波进行信号相关分析以提取微震事件；

走时确定步骤，用于拾取每个通道微震信号P波的微震事件走时；

震源定位步骤，用于采用纵波初至定位震源求解下属目标函数极小值，解出发震延迟时刻和震源坐标；

迭代求解步骤，用于根据定位算法修正误差，迭代求解所述目标函数的解直到解出最优解。

2.根据权利要求1所述的一种减弱依赖初至拾取精度的微震定位方法，其特征在于，所述事件提取步骤具体包括以下子步骤：

子波提取子步骤，用于从已采集的信号x(t)中选取一个微震事件信号，长度包括从初至起跳开始到震动衰减结束，设信号为w(t)；

信号提取子步骤，用于将抽取的信号w(t)与原始信号x(t)进行互相关得到互相关函数：

$R\left(\mathrm{\τ}\right)=\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}x\left(n\right)w(n+\mathrm{\τ})$

其中，N为地震序列长度；通过互相关函数R(τ)的极值找到原始信号中对应的多个微震事件信号。

3.根据权利要求1所述的一种减弱依赖初至拾取精度的微震定位方法，其特征在于，所述震源定位步骤中，纵波走时的计算基于以下公式：

$t_i=\frac{\sqrt{{(x_0-x_i)}^2+{(y_0-y_i)}^2+{(z_0-z_i)}^2}}{v}+t_0,(i=1,2,L,n)$

其中t_i为第i个传感器的观测到时，(x_i,y_i,z_i)为第i个传感器的坐标，(x₀,y₀,z₀)为震源坐标，t₀为发震延迟时刻，v为地震波传播的平均速度。

4.根据权利要求3所述的一种减弱依赖初至拾取精度的微震定位方法，其特征在于，将已有的地球物理参数作为已知条件和约束条件，求解以下目标函数的极小值，解出发震延迟时刻和震源坐标：

其中：

$E_k=|t_k^{cal}-t_k^{obs}{|}^p$

$d_k=|E_k-E_{mid}|$

$r_k=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{d}_i-d_k}{\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{d}_i}$

表示第k个台站的模拟波至时间，表示第k个台站的观测波至时间，E_k表示第k个台站的计算误差，E_mid表示N个台站误差中值，N为台站个数，p为范数。

5.根据权利要求3所述的一种减弱依赖初至拾取精度的微震定位方法，其特征在于，所述迭代求解步骤具体包括以下子步骤：

步骤5.1，给定网格搜索的空间范围(Xmin，Xmax)、(Ymin,Ymax)、(Zmin、Zmax)及(T0min,T0max)，给定网格尺寸dx、dy、dz、dt0，并由下式确定网格数：

$Nx=\frac{Xmax-Xmin}{dx}$

$Ny=\frac{Ymax-Ymin}{dy}$

$Nz=\frac{Zmax-Zmin}{dz}$

$Nt0=\frac{T0max-T0min}{dt0}$

步骤5.2，遍历每个网格，按下式求取每个网格节点的误差值E:

$E(i,j,k,k)=\underset{k=1}{\overset{N}{\Σ}}{r}_k\·E_k$

$E_k=|t_k^{cal}-t_k^{obs}{|}^p$

d_k＝|E_k-E_mid|

$r_k=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{d}_i-d_k}{\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{d}_i}$

表示第k个台站的模拟波至时间，表示第k个台站的观测波至时间，E_k表示第k个台站的计算误差，E_mid表示N个台站误差中值(中位数)，N为台站个数，p为范数，p取1或2；

步骤5.3，求取获得的Nx*Nz*Nz*Nt0个E中的最小误差E0，E0对应的x0、y0、z0、t0即为最优解，即(x₀,y₀,z₀)为震源坐标，t₀为发震延迟时刻。

6.一种减弱依赖初至拾取精度的微震定位装置，其特征在于，。包括：

事件提取模块，用于根据先提取出的标准地震子波进行信号相关分析以提取微震事件；

走时确定模块，用于拾取每个通道微震信号P波的微震事件走时；

震源定位模块，用于采用纵波初至定位震源求解下属目标函数极小值，解出发震延迟时刻和震源坐标；

迭代求解模块，用于根据定位算法修正误差，迭代求解所述目标函数的解直到解出最优解。