CN107918157A - 三分量p波初动震源机制反演方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种三分量P波初动震源机制反演方法及装置。该方法可以包括以下步骤：1)从微地震地面浅井监测数据中提取三分量P波初动符号；2)对X、Y分量P波初动符号进行符号校正；3)选择震源模型，根据所述微地震地面浅井监测数据求取震源模型参数的值，以确定震源机制解；4)对震源机制空间进行格点离散；5)对所述震源机制空间中的格点进行搜索，并在搜索过程中计算震源机制对应的Z分量P波初动符号；6)计算匹配度；以及7)选择匹配度最高的分量所对应的震源机制作为反演结果。本发明通过三分量同时对地震机制的反演进行约束，可以提高反演的精度，并减少反演结果的多解性。

Description

三分量P波初动震源机制反演方法及装置

技术领域

本发明涉及微地震监测数据处理技术，具体地，涉及一种三分量P波初动震源机制反演方法及装置。

背景技术

水力压裂微地震监测技术是页岩气和致密气等非常规储层开发过程中水力压裂裂缝监测的一种重要手段。通过微地震监测获得水力压裂裂缝空间展布形态，可以为井网部署和压裂方案优化提供重要参数。

目前微地震监测有地面监测、井中监测和地面浅井埋置三种监测方式。地面浅井埋置式微地震监测技术是一种采用稀疏台站观测的监测技术。相对于地面监测方式，减少了地面噪声的影响，避免地表低速带引起的定位误差；相比于井中微地震监测，地面浅井微地震监测有更多的检波器数量和更广的观测范围，增加了统计效应，有利于提高监测结果的精度。这种监测方式还可以进行永久性埋置监测，同时适应于油气田开发区，有效减少监测成本。

发明人发现，目前P波初动震源机制反演方法只利用P波垂直分量进行求解。采用地面浅井监测方式可以获得三分量微地震数据，地面浅井监测台站分布采用稀疏站点观测方式，台站布置较少，若只采用垂直分量求解震源机制，不利于四象限分布约束。因此，有必要开发一种高精度的P波初动震源机制反演方法及装置。

公开于本发明背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的是提出一种高精度的三分量P波初动震源机制反演方法及装置。

根据本发明的一方面，提出一种三分量P波初动震源机制反演方法。该方法可以包括以下步骤：1)从微地震地面浅井监测数据中提取三分量P波初动符号，所述三分量P波初动符号包括X、Y和Z分量P波初动符号；2)对X、Y分量P波初动符号进行符号校正；3)选择震源模型，根据所述微地震地面浅井监测数据求取震源模型参数的值，以确定震源机制解；4)对震源机制空间进行格点离散；5)对所述震源机制空间中的格点进行搜索，并在搜索过程中计算震源机制对应的Z分量P波初动符号；6)分别计算步骤5)中得到的Z分量P波初动符号与步骤1)中提取的Z分量P波初动符号、步骤2)中校正的X分量P波初动符号、Y分量P波初动符号的匹配度；以及7)选择匹配度最高的分量所对应的震源机制作为反演结果。

优选地，步骤2)中X、Y分量的P波初动符号校正公式为：

其中，S_0,Px，S_0,Py为从微地震地面浅井资料中提取的X、Y分量P波初动符号，S_P,x，S_P,y为校正后的X、Y分量P波初动符号，φ为射线离源时在水平面投影与正北向的夹角。

优选地，所述震源模型为双力偶点源震源模型，所述震源模型参数包括地震断层的走向φ_s，滑动角λ以及倾角δ。

优选地，基于所述地震断层的走向φ_s，滑动角λ以及倾角δ这三个角度对震源机制空间进行格点离散。

优选地，匹配度的计算公式为：

其中，S_i为微地震地面浅井监测数据中第i个检波点的三分量P波初动符号的极性，S′_i为搜索过程中所计算的震源机制对应的Z分量P波初动符号，S_i和S′_i取值为+1、-1或0，Σ(S_iS′_i)₊表示S_i和S′_i同号的检波点个数，N为检波器的数目。

根据本发明的另一方面，提出一种三分量P波初动震源机制反演装置。该装置可以包括：用于从微地震地面浅井监测数据中提取三分量P波初动符号的单元，所述三分量P波初动符号包括X、Y和Z分量P波初动符号；用于对X、Y分量P波初动符号进行符号校正的单元；用于选择震源模型，根据所述微地震地面浅井监测数据求取震源模型参数的值，以确定震源机制解的单元；用于对震源机制空间进行格点离散的单元；用于对所述震源机制空间中的格点进行搜索，并在搜索过程中计算震源机制对应的Z分量P波初动符号的单元；用于分别计算步骤5)中得到的Z分量P波初动符号与步骤1)中提取的Z分量P波初动符号、步骤2)中校正的X分量P波初动符号、Y分量P波初动符号的匹配度的单元；以及用于选择匹配度最高的分量所对应的震源机制作为反演结果的单元。

优选地，步骤2)中X、Y分量的P波初动符号校正公式为：

其中，S_0,Px，S_0,Py为从微地震地面浅井资料中提取的X、Y分量P波初动符号，S_P,x，S_P,y为校正后的X、Y分量P波初动符号，φ为射线离源时在水平面投影与正北向的夹角。

优选地，所述震源模型为双力偶点源震源模型，所述震源模型参数包括地震断层的走向φ_s，滑动角λ以及倾角δ。

优选地，基于所述地震断层的走向φ_s，滑动角λ以及倾角δ这三个角度对震源机制空间进行格点离散。

优选地，匹配度的计算公式为：

其中，S_i为微地震地面浅井监测数据中第i个检波点的三分量P波初动符号的极性，S′_i为搜索过程中所计算的震源机制对应的Z分量P波初动符号，S_i和S′_i取值为+1、-1或0，Σ(S_iS′_i)₊表示S_i和S′_i同号的检波点个数，N为检波器的数目。

由于地面浅井监测台站分布采用稀疏站点观测方式，台站布置较少，对震源辐射花样采样过少，而且由于误差的存在，若只采用Z分量约束条件较少，可能导致震源机制反演的多解性。通过三分量同时对地震机制的反演进行约束，可以提高反演的精度，并减少反演结果的多解性。

本发明的方法和装置具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施例中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施例中进行详细陈述，这些附图和具体实施例共同用于解释本发明的特定原理。

附图说明

通过结合附图对本公开示例性实施方式进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1示出了根据本发明的一个实施例的三分量P波初动震源机制反演方法的流程图。

图2示出了Z分量P波初动符号。

图3a和3b示出了X分量P波初动符号与校正后的P波初动符号。

图4a和4b示出了Y分量P波初动符号与校正后的P波初动符号。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的优选实施方式。虽然附图中显示了本公开的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。

下面首先介绍三分量P波初动震源机制的基本原理。

对于走向为φ_s，滑动角为λ，倾角为δ，标量矩为M₀的地震震源，其矩张量M可以表示为：

若介质为均匀介质，震源位置在坐标原点，在检波点x处的远场P波位移的表达式为：

其中α为P波速度，ρ为密度，r为震源到检波点距离，M为地震矩张量，γ为震源处的射线方向，其表达式为：

γ＝(sini_ξcosφ,sini_ξsinφ,cosi_ξ) (3)

其中i_ξ为射线离源时与垂直地面方向的夹角(天顶角)，φ为射线离源时在水平面投影与正北向的夹角。在速度模型已知情况下，这两个参数可由震源位置与检波点位置x计算得到。

将检波点x处位移u^P沿射线投影到震源球上，若不考虑震源时间与绝对振 幅影响因素，则在震源球上的辐射花样表达式为：

Rad＝(γ·M·γ)γ (4)

传统P波初动震源机制求解方法利用的是分量在震源球上投影的极性符号(+/-)来进行反演约束，本发明针对的是地面浅井三分量资料，可同时利用 和分量在震源球上极性对反演进行约束。

由(4)式可以看出，对于已知震源机制M，P波初动在三个方向上的极性符号由γ决定，由于i_ξ的取值范围为[0,90°]，即sini_ξ与cosi_ξ均为正值，所以初动符号与γ·M·γ相同；而对于而言，由于φ的取值范围为[0°,360°]，则其余弦值在(0°,90°)∪(270°,360°)范围内为正，而在(90°,270°)内为负，即cosφ在震源球北半球为正，在南半球为负；而对于φ的正弦值sinφ在东半球为正，西半球为负。根据这个特征对和进行符号校正，则可以获得和(即γ·M·γ)一样的符号分布。

利用该原理，可以将X、Y分量P波初动符号校正成与Z分量一样的P波初动符号分布。所以在求取实际资料X、Y分量与搜索解的匹配度时，可以先对实际资料X、Y分量P波初动符号进行校正，然后可直接与搜索解的Z分量P波初动符号分布进行求解匹配度，无需求解搜索解的X、Y分量的P波初动符号，以减少计算量。

X、Y分量的P波初动符号校正公式为：

其中S_0,Px，S_0,Py为实际资料校中提取的X、Y分量P波初动符号，S_P,x，S_P,y为校正后的X、Y分量P波初动符号。

图1示出了根据本发明的一个实施例的三分量P波初动震源机制反演方法 的流程图。

在本实施例中，该方法具体包括以下步骤：

1)从微地震地面浅井监测数据中提取三分量P波初动符号，所述三分量P波初动符号包括X、Y和Z分量P波初动符号。

本发明所使用的监测数据为微地震地面浅井三分量资料，因此Z分量P波初动符号可以直接从监测数据中直接得到，而X分量和Y分量P波初动符号可以通过对各检波点进行方向一致性校正后得到。

2)对X、Y分量P波初动符号进行符号校正。

具体地，X、Y分量的P波初动符号校正公式可以为：

其中，S_0,Px，S_0,Py为从微地震地面浅井资料中提取的X、Y分量P波初动符号，S_P,x，S_P,y为校正后的X、Y分量P波初动符号，φ为射线离源时在水平面投影与正北向的夹角。

3)选择震源模型，根据所述微地震地面浅井监测数据求取震源模型参数的值，以确定震源机制解。

对于所选择的震源模型，根据监测数据可以求取震源模型参数的结果，以确定震源机制解，也称为地震的断层面解。

所根据的监测数据可以是P波的初动方向、S波位移的偏振方向、直达P波和直达S波振幅的比值大小，以及P波和S波的波形资料等。在本实施例中，根据P波的初动方向来求取震源模型参数的结果。

在示例性实施例中，所述震源模型可以是双力偶点源震源模型，所述震源模型参数可以包括地震断层的走向φ_s，滑动角λ以及倾角δ。其中，走向φ_s是断层面与水平面交线的方向，取值范围是[0°,360°]；滑动角λ是断层的运动参数，取值范围是[-180°,180°]；倾角δ为断层面与水平面的夹角，取值范围是[0°,90°]。

4)对震源机制空间进行格点离散。

在示例性实施例中，可以基于所述地震断层的走向φ_s，滑动角λ以及倾角δ这三个角度对震源机制空间进行格点离散。本领域技术人员应当理解，可以以任意适当的角度对这三个角度参数进行划分以进行震源机制空间的格点离散。

5)对所述震源机制空间中的格点进行搜索，并在搜索过程中计算震源机制对应的三分量P波初动符号。

在对震源机制空间的格点进行搜索的过程中，在搜索到一个格点时则计算该震源机制所对应的Z分量P波初动符号，即公式(4)中的Z分量符号：

S′_P,z＝Sign((γ·M·γ)cosi_ξ) (7)

6)分别计算步骤5)中得到的Z分量P波初动符号与步骤1)中提取的Z分量P波初动符号、步骤2)中校正的X分量P波初动符号、Y分量P波初动符号的匹配度。

在示例性实施例中，匹配度的计算公式为：

其中，S_i为微地震地面浅井监测数据中第i个检波点的三分量P波初动符号的极性，S′_i为搜索过程中所计算的震源机制对应的Z分量P波初动符号，S_i和S′_i取值为+1、-1或0，∑(S_iS′_i)₊表示S_i和S′_i同号的检波点个数，N为检波器的数目。

例如，Z分量的匹配度为步骤5)中得到的Z分量P波初动符号与步骤1)中提取的Z分量P波初动符号的匹配度，在其匹配度的计算公式中，S_i为微地震地面浅井监测数据中第i个检波点的Z分量P波初动符号的极性，S′_i为搜索过程中所计算的震源机制对应的Z分量P波初动符号。X分量的匹配度为步骤5)中得到的Z分量P波初动符号与步骤2)中校正的X分量P波初动符号的匹配度，在其匹配度的计算公式中，S_i为微地震地面浅井监测数据中第i个检波点的X分量P波初动符号的极性，S′_i为搜索过程中所计算的震源机制对应的Z分量P 波初动符号。Y分量具有与X分量相似的定义。

具体计算方式为将S_i和S′_i同号的检波点个数进行累加，并除以所有检波点的数据作为匹配度F₊，F₊越大说明搜索得到的结果与实际的震源机制符合越好。

7)选择匹配度最高的震源机制作为反演结果。

在对所有格点的搜索完成之后，从X、Y、Z分量中选择其中匹配度最高的分量，将其所对应的震源机制作为反演结果。

应用示例

为便于理解本发明实施例的方案及其效果，以下给出一个具体应用示例。本领域技术人员应理解，该示例仅为了便于理解本发明，其任何具体细节并非意在以任何方式限制本发明。

下面以倾角＝90°；滑动角＝60°；倾向＝40°的震源为例来说明本发明的效果。

传统P波初动反演利用P波垂直方向Z分量的初动信息，根据各检波点的Z分量P波初动符号可以得到震源机制的两个节面，其中一个为断层面，另一个为辅助面，如图2所示。对于水平分量中的X分量，其P波初动符号如图3a所示，在不校正的情况下，所获得的符号分布无法确定节面位置，而通过校正则可以得到与Z分量相同的节面约束，如图3b所示。对于水平分量中的Y分量，其P波初动符号如图4a所示，在不校正的情况下，所获得的符号分布无法确定节面位置，而通过校正则可以得到与Z分量相同的节面约束，如图4b所示。

以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (10)

1.一种三分量P波初动震源机制反演方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

1)从微地震地面浅井监测数据中提取三分量P波初动符号，所述三分量P波初动符号包括X、Y和Z分量P波初动符号；

2)对X、Y分量P波初动符号进行符号校正；

3)选择震源模型，根据所述微地震地面浅井监测数据求取震源模型参数的值，以确定震源机制解；

4)对震源机制空间进行格点离散；

5)对所述震源机制空间中的格点进行搜索，并在搜索过程中计算震源机制对应的Z分量P波初动符号；

6)分别计算步骤5)中得到的Z分量P波初动符号与步骤1)中提取的Z分量P波初动符号、步骤2)中校正的X分量P波初动符号、Y分量P波初动符号的匹配度；以及

7)选择匹配度最高的分量所对应的震源机制作为反演结果。

2.根据权利要求1所述的三分量P波初动震源机制反演方法，其中，步骤2)中X、Y分量的P波初动符号校正公式为：

其中，S_0,Px，S_0,Py为从微地震地面浅井资料中提取的X、Y分量P波初动符号，S_P,x，S_P,y为校正后的X、Y分量P波初动符号，φ为射线离源时在水平面投影与正北向的夹角。

3.根据权利要求1所述的三分量P波初动震源机制反演方法，其中，所述震源模型为双力偶点源震源模型，所述震源模型参数包括地震断层的走向φ_s，滑动角λ以及倾角δ。

4.根据权利要求3所述的三分量P波初动震源机制反演方法，其中，基于所述地震断层的走向φ_s，滑动角λ以及倾角δ这三个角度对震源机制空间进行格点离散。

5.根据权利要求1所述的三分量P波初动震源机制反演方法，其中，匹配度计算公式为：

<mrow> <msub> <mi>F</mi> <mo>+</mo> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>N</mi> </munderover> <msub> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>S</mi> <mi>i</mi> </msub> <msubsup> <mi>S</mi> <mi>i</mi> <mo>&amp;prime;</mo> </msubsup> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> </msub> </mrow> <mi>N</mi> </mfrac> </mrow>

其中，S_i为微地震地面浅井监测数据中第i个检波点的三分量P波初动符号的极性，S′_i为搜索过程中所计算的震源机制对应的Z分量P波初动符号，S_i和S′_i取值为+1、-1或0，Σ(S_iS′_i)₊表示S_i和S′_i同号的检波点个数，N为检波器的数目。

6.一种三分量P波初动震源机制反演装置，其特征在于，所述装置包括：

用于从微地震地面浅井监测数据中提取三分量P波初动符号的单元，所述三分量P波初动符号包括X、Y和Z分量P波初动符号；

用于对X、Y分量P波初动符号进行符号校正的单元；

用于选择震源模型，根据所述微地震地面浅井监测数据求取震源模型参数的值，以确定震源机制解的单元；

用于对震源机制空间进行格点离散的单元；

用于对所述震源机制空间中的格点进行搜索，并在搜索过程中计算震源机制对应的Z分量P波初动符号的单元；

用于分别计算步骤5)中得到的Z分量P波初动符号与步骤1)中提取的Z分量P波初动符号、步骤2)中校正的X分量P波初动符号、Y分量P波初动符号的匹配度的单元；以及

用于选择匹配度最高的分量所对应的震源机制作为反演结果的单元。

7.根据权利要求1所述的三分量P波初动震源机制反演装置，其中，步骤2)中X、Y分量的P波初动符号校正公式为：

其中，S_0,Px，S_0,Py为从微地震地面浅井资料中提取的X、Y分量P波初动符号，S_P,x，S_P,y为校正后的X、Y分量P波初动符号，φ为射线离源时在水平面投影与正北向的夹角。

8.根据权利要求1所述的三分量P波初动震源机制反演装置，其中，所述震源模型为双力偶点源震源模型，所述震源模型参数包括地震断层的走向φ_s，滑动角λ以及倾角δ。

9.根据权利要求8所述的三分量P波初动震源机制反演装置，其中，基于所述地震断层的走向φ_s，滑动角λ以及倾角δ这三个角度对震源机制空间进行格点离散。

10.根据权利要求1所述的三分量P波初动震源机制反演装置，其中，匹配度的计算公式为：

<mrow> <msub> <mi>F</mi> <mo>+</mo> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>N</mi> </munderover> <msub> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>S</mi> <mi>i</mi> </msub> <msubsup> <mi>S</mi> <mi>i</mi> <mo>&amp;prime;</mo> </msubsup> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> </msub> </mrow> <mi>N</mi> </mfrac> </mrow>

其中，S_i为微地震地面浅井监测数据中第i个检波点的三分量P波初动符号的极性，S′_i为搜索过程中所计算的震源机制对应的Z分量P波初动符号，S_i和S′_i取值为+1、-1或0，Σ(S_iS′_i)₊表示S_i和S′_i同号的检波点个数，N为检波器的数目。