CN108414983B - 一种基于逆时射线追踪方法的微地震定位技术 - Google Patents

Abstract

本发明属于油气勘探开发技术领域，公开了一种基于逆时射线追踪算法的微地震定位技术。本发明的具体技术实时方案为：(1)构建三维纵波速度模型；(2)提取初至纵波射线矢量；(3)求解由各检波器逆向传播的纵波射线路径；(4)震源位置计算及选取。本发明方法运算速度快，能较快地确定微地震震源区域，定位效率高，易于判断微地震的空间位置，能较快地确定真实微地震震源。

Description

一种基于逆时射线追踪方法的微地震定位技术

技术领域

本发明属于石油地球物理勘探开发技术领域，具体涉及一种基于逆时射线追踪方法的微地震定位技术。

背景技术

微地震监测广泛应用于水力压裂动态监测，以指导油气田开发，其作为一种重要的监测方法亦被应用于水库诱发地震监测及矿山动力灾害监测，以监测库区蓄水后及矿山开采时(微)地震活动性特征，为评价地质体稳定性，预防地质灾害，降低人员财产损失。微地震震源定位是微地震监测的重要组成部分，其为地震学的研究提供了十分重要的信息，亦为油气田水力压裂开发效果评估提供依据，以指导油气田压裂及采收工作。

微地震定位方法主要包括基于波动方程的波场逆推法与基于射线追踪的走时拟合法。由于波场逆推震源定位法需求解波动方程，而在三维精细化速度模型中计算地震波波场所需的时间成本较高，使得微地震的定位效率低。

基于射线追踪算法的走时拟合震源定位法依赖射线追踪算法(如试射法、逐段迭代射线追踪法等)及全空间寻优算法(如网格搜索法、模拟退火法等)。该类方法需在三维介质空间中不断产生“震源”，结合射线追踪算法计算由该“震源”至各检波器地震震相的路径及走时，通过对比震相的计算走时与观测走时来判断所产生的“震源”是否满足数值条件。此类定位方法需多次迭代，全局寻优过程的效率低。

随着三分量检波器在微地震监测中的广泛应用，利用多分量微地震记录提取初至纵波波的到时及出射矢量方向成为可能。为结合三分量微地震监测数据，提高基于射线追踪类的微地震定位算法的效率，亟需结合初至纵波波出射矢量及逆时射线追踪算法，研发一种适用于微地震快速定位的算法。

发明内容

本发明的目的是为克服现有技术的不足而提供一种基于逆时射线追踪方法的微地震定位技术，本发明是对三分量微地震记录处理技术的改进和拓展，能够直接获取微地震震源位置，适用于解决地表监测、井中监测及井地联合监测下的微地震定位问题。

根据本发明提出的一种基于逆时射线追踪方法的微地震定位技术，其特征在于，包括以下具体步骤：

步骤1，构建三维纵波速度模型：所述三维纵波速度模型包含三维纵波速度分界面、三维纵波速度分界面法线矢量场及层间纵波速度值；其中：

所述三维纵波速度分界面是指利用三维曲面函数描述的一组具有不同埋深的起伏速度分界面，所述三维曲面函数的数学表达式为Z＝F(X,Y)，Z为曲面的埋深，X为曲面上点的横坐标，Y为曲面上点的纵坐标；

所述三维纵波速度分界面法相矢量场为指示速度界面的起伏形态及纵波速度界面法向矢量的变化情况，其计算方法是通过对三维曲面函数求取X方向及 Y方向的二阶偏导数来实现的，所述纵波速度界面法向矢量的计算表达式为：

(1)式中n为纵波速度界面法向矢量场，

表示三维曲面函数在X方向的偏导数，

表示三维曲面函数在Y方向的偏导数，纵波速度界面法向矢量场的Z 分量为1；

所述层间纵波速度值是指两个相邻但具有不同埋深的三维曲面之间所填充的均一的纵波速度值；

步骤2，提取初至纵波射线矢量：根据三分量微地震波形数据，选取初至纵波扫描范围，利用初至纵波射线矢量扫描法提取初至纵波射线矢量，其中，所述三分量微地震波形数据是指可转换为笛卡尔坐标下三个正交坐标轴上分量的地震波形数据，所述三分量微地震波形数据为三分量地表位移记录，所述初至纵波扫描范围指微地震记录中包含初至纵波震相前半周期的三分量微地震波形数据范围，所述初至纵波震相前半周期的三分量微地震波形数据范围指三分量微地震数据中初至纵波震相完整波形的前1/2部分，所述初至纵波扫描范围的微地震数据为三分量微地震波形数据；

所述初至纵波射线矢量扫描法是指利用固定时窗长度由初至纵波扫描范围起始位置逐次滑动至终止位置，时窗内的地震数据为三分量微地震数据，扫描时窗中初至纵波射线的平均矢量可根据如下公式计算：

(2)式中，V_n表示扫描时窗中初至纵波射线的平均矢量；A_ix为扫描时窗中第 i个位移记录的X分量，A_iy为扫描时窗中第i个位移记录的Y分量，A_iz为扫描时窗中第i个位移记录的Z分量；

根据纵波射线矢量选取规则，选取初至纵波射线矢量，所述纵波射线矢量选取规则包含：一是为时窗内各时刻的射线矢量与时窗内平均射线矢量的夹角达到最小，二是为时窗内平均射线矢量趋于稳定时，该平均射线矢量作为初至纵波射线矢量；所述时窗内各时刻的射线矢量为归一化的射线矢量，其具体表达式为：

(3)式中，V_i表示扫描时窗中第i个位移记录的矢量方向；

所述初至纵波射线矢量是指初至纵波射线在检波器出射时，其出射方向在地理东向，地理北向及垂直向的投影；

步骤3，求解由各检波器逆向传播的纵波射线路径：根据初始条件，基于方向矢量射线追踪方法，反向逆推求解由检波器出射的纵波射线路径，其中，所述初始条件包括射线逆向传播初始矢量与逆向传播时差，所述射线逆向传播初始矢量为空间三维矢量，该矢量与纵波射线出射矢量共线但垂直向分量向下，所述逆向传播时差指各检波器微地震记录中初至纵波震相与最早到达检波器的初至纵波震相的时间差值，各检波器具有的逆向传播时差为常数，最先记录初至纵波震相的检波器的逆向传播时差为0，所述基于方向矢量射线追踪方法指求解纵波射线由初始矢量透射空间三维曲面后所产生透射波的射线矢量，其计算公式为：

(4)式中，r_1x,r_1y,r_1z:表示初始射线矢量的分量，其中：r_1x表示X向分量， r_1y表示Y向分量，r_1z表示Z向分量；

V₁,V₂:表示界面两侧的速度，其中：V₁,表示入射矢量所在介质的纵波速度， V₂:表示透射波射线矢量所在介质的纵波速度；

n_x,n_y,n_z,:表示三维曲面函数与纵波射线交点处的法向矢量的分量，其中： n_x表示X向分量，n_y表示Y向分量，n_z表示Z向分量；

r_2x,r_2y,r_2z:表示产生的透射波射线矢量的分量，其中：r_2x表示X向分量，r_2y表示Y向分量，r_2z表示Z向分量；

P为中间变量；

所述反向逆推求解由检波器出射的纵波射线路径，其计算过程为随着逆向传播时间增大，逐步求解纵波射线路径，所述逆向传播时间指纵波射线由检波器出射时传播的总时间长度，该逆向传播时间由逆向传播时差与时间变量组成，各检波器的时间变量相同且由0时刻逐渐增大；

步骤4，震源位置计算及选取：根据地震射线间的距离方差，选取射线距离方差最小点所对应的射线中心点作为微地震震源，所述地震射线间的距离方差是指纵波射线终点的中心点与各射线终点间的方差，其计算公式为：

(5)式中，D表示方差，P_i表示射线终点的位置，N为所用检波器的数量，所述纵波射线终点指纵波射线在逆向传播时间的约束下，纵波射线末端的位置；所述选取射线距离方差最小点指纵波射线由检波器逆向传播至地球内部时，纵波射线终点方差最小的时刻，所述纵波射线距离方差最小点所对应的射线中心点指纵波射线终点方差最小的时刻所对应的射线中心点，其计算公式为：

(6)式中P_c为射线终点的中心点，P_jx为射线终点的X坐标，P_jy为射线重点的Y 坐标，P_jz为射线重点的Z坐标，N表示射线终点的数量。

本发明提出的一种基于逆时射线追踪方法的微地震定位技术的进一步优选方案是；

步骤1所述纵波速度分界面中各点的属性值的形式为：

(X,Y,Z，nx,ny,1,V) (7)

(7)式中，X为该点的横坐标，Y为该点的纵坐标，Z为该点的埋深，nx为该点法向矢量在X方向的分量，ny为该点法向矢量在Y方向的分量，该点的法向矢量在Z方向的分量为1，V表示改点下伏地层的速度值。

步骤2所述初至纵波震相的前半周期是指初至纵波震相范围内的前1/2部分。

步骤3所述逐步求解纵波射线路径是指基于上一时刻的射线终点位置计算下一时刻的射线终点位置，当逆向传播时间增大时，前一逆向传播时间下的射线终点作为下一逆向传播时间下的射线起始点参与计算。

步骤4所述选取射线距离方差最小点所对应的中心点是指纵波射线终点方差第一次达到最小时所对应的纵波射线终点的中心点。

本发明与现有技术相比其显著优点在于：

第一，所构建的纵波速度模型包含地层埋深及地层法相矢量，减少了射线追踪过程中求解射线与模型界面交点的法向矢量求解计算，提高了射线追踪的计算效率。

第二，结合三分量微地震资料中初至纵波前半周期振幅提取初至纵波射线矢量，为微地震定位提供方位约束；基于逆时射线追踪算法快速求解射线轨迹，提高了在起伏层状介质中射线追踪的效率；基于地震射线间的距离方差选取地震震源的判断规则，提高了选取震源位置的可靠性。

第三，本发明在给定检波器坐标、三分量地表位移记录的前提下，能直接获取微地震震源位置，适用于解决地表监测、井中监测及井地联合监测下的微地震定位问题。

附图说明

图1是本发明提出的一种基于逆时射线追踪方法的微地震定位技术的实施流程示意图。

图2是本发明实施例提出的实际位移记录及检波器位置分布示意图。

图3是本发明实施例提出的台站一所选取的初至纵波震相前半周期波形示意图。

图4是本发明实施例提出的台站二所选取的初至纵波震相前半周期波形示意图。

图5是本发明实施例提出的台站三所选取的初至纵波震相前半周期波形示意图。

图6是本发明实施例提出的台站四所选取的初至纵波震相前半周期波形示意图。

图7是本发明实施例提出的台站一中初至纵波射线矢量分量随扫描时窗位置变化的曲线示意图。

图8是本发明实施例提出的台站二中初至纵波射线矢量分量随扫描时窗位置变化的曲线示意图。

图9是本发明实施例提出的台站三中初至纵波射线矢量分量随扫描时窗位置变化的曲线示意图。

图10是本发明实施例提出的台站四中初至纵波射线矢量分量随扫描时窗位置变化的曲线示意图。

图11是本发明实施例提出的初至纵波射线终点在逆时射线追踪时间为1.0 秒时的位置示意图。

图12是本发明实施例提出的初至纵波射线终点在逆时射线追踪时间为2.2 秒时的位置示意图。

图13是本发明实施例提出的初至纵波射线终点在逆时射线追踪时间为3.7 秒时的位置示意图。

图14是本发明实施例提出的初至纵波射线终点在逆时射线追踪时间为5.4 秒时的位置示意图。

图15是本发明实施例提出的初至纵波射线终点在逆时射线追踪时间为6.2 秒时的位置示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式做进一步的详细描述。

如图1所示，本发明提出的一种基于逆时射线追踪方法的微地震定位技术的实现过程包括以下具体步骤：

步骤1，构建三维纵波速度模型：所述三维纵波速度模型包含三维纵波速度分界面、三维纵波速度分界面法线矢量场及层间纵波速度值；其中：

所述三维纵波速度分界面是指利用三维曲面函数描述的一组具有不同埋深的起伏速度分界面，所述三维曲面函数的数学表达式为Z＝F(X,Y)，Z为曲面的埋深，X为曲面上点的横坐标，Y为曲面上点的纵坐标；

所述三维纵波速度分界面法相矢量场为指示速度界面的起伏形态及纵波速度界面法向矢量的变化情况，其计算方法是通过对三维曲面函数求取X方向及 Y方向的二阶偏导数来实现的，所述纵波速度界面法向矢量的计算表达式为：

(1)式中n为纵波速度界面法向矢量场，

表示三维曲面函数在X方向的偏导数，

表示三维曲面函数在Y方向的偏导数，纵波速度界面法向矢量场的Z 分量为1；

所述层间纵波速度值是指两个相邻但具有不同埋深的三维曲面之间所填充的均一的纵波速度值；

步骤2，提取初至纵波射线矢量：根据三分量微地震波形数据，选取初至纵波扫描范围，利用初至纵波射线矢量扫描法提取初至纵波射线矢量，其中，所述三分量微地震波形数据是指可转换为笛卡尔坐标下三个正交坐标轴上分量的地震波形数据，所述三分量微地震波形数据为三分量地表位移记录，所述初至纵波扫描范围指微地震记录中包含初至纵波震相前半周期的三分量微地震波形数据范围，所述初至纵波震相前半周期的三分量微地震波形数据范围指三分量微地震数据中初至纵波震相完整波形的前1/2部分，所述初至纵波扫描范围的微地震数据为三分量微地震波形数据；

所述初至纵波射线矢量扫描法是指利用固定时窗长度由初至纵波扫描范围起始位置逐次滑动至终止位置，时窗内的地震数据为三分量微地震数据，扫描时窗中初至纵波射线的平均矢量可根据如下公式计算：

(2)式中，V_n表示扫描时窗中初至纵波射线的平均矢量；A_ix为扫描时窗中第 i个位移记录的X分量，A_iy为扫描时窗中第i个位移记录的Y分量，A_iz为扫描时窗中第i个位移记录的Z分量；

根据纵波射线矢量选取规则，选取初至纵波射线矢量，所述纵波射线矢量选取规则包含：一是为时窗内各时刻的射线矢量与时窗内平均射线矢量的夹角达到最小，二是为时窗内平均射线矢量趋于稳定时，该平均射线矢量作为初至纵波射线矢量；所述时窗内各时刻的射线矢量为归一化的射线矢量，其具体表达式为：

(3)式中，V_i表示扫描时窗中第i个位移记录的矢量方向；

所述初至纵波射线矢量是指初至纵波射线在检波器出射时，其出射方向在地理东向，地理北向及垂直向的投影；

步骤3，求解由各检波器逆向传播的纵波射线路径：根据初始条件，基于方向矢量射线追踪方法，反向逆推求解由检波器出射的纵波射线路径，其中，所述初始条件包括射线逆向传播初始矢量与逆向传播时差，所述射线逆向传播初始矢量为空间三维矢量，该矢量与纵波射线出射矢量共线但垂直向分量向下，所述逆向传播时差指各检波器微地震记录中初至纵波震相与最早到达检波器的初至纵波震相的时间差值，各检波器具有的逆向传播时差为常数，最先记录初至纵波震相的检波器的逆向传播时差为0，所述基于方向矢量射线追踪方法指求解纵波射线由初始矢量透射空间三维曲面后所产生透射波的射线矢量，其计算公式为：

(4)式中，r_1x,r_1y,r_1z:表示初始射线矢量的分量，其中：r_1x表示X向分量， r_1y表示Y向分量，r_1z表示Z向分量；

V₁,V₂:表示界面两侧的速度，其中：V₁,表示入射矢量所在介质的纵波速度， V₂:表示透射波射线矢量所在介质的纵波速度；

n_x,n_y,n_z,:表示三维曲面函数与纵波射线交点处的法向矢量的分量，其中： n_x表示X向分量，n_y表示Y向分量，n_z表示Z向分量；

r_2x,r_2y,r_2z:表示产生的透射波射线矢量的分量，其中：r_2x表示X向分量，r_2y表示Y向分量，r_2z表示Z向分量；

P为中间变量；

所述反向逆推求解由检波器出射的纵波射线路径，其计算过程为随着逆向传播时间增大，逐步求解纵波射线路径，所述逆向传播时间指纵波射线由检波器出射时传播的总时间长度，该逆向传播时间由逆向传播时差与时间变量组成，各检波器的时间变量相同且由0时刻逐渐增大；

步骤4，震源位置计算及选取：根据地震射线间的距离方差，选取射线距离方差最小点所对应的射线中心点作为微地震震源，所述地震射线间的距离方差是指纵波射线终点的中心点与各射线终点间的方差，其计算公式为：

(5)式中，D表示方差，P_i表示射线终点的位置，N为所用检波器的数量，所述纵波射线终点指纵波射线在逆向传播时间的约束下，纵波射线末端的位置；所述选取射线距离方差最小点指纵波射线由检波器逆向传播至地球内部时，纵波射线终点方差最小的时刻，所述纵波射线距离方差最小点所对应的射线中心点指纵波射线终点方差最小的时刻所对应的射线中心点，其计算公式为：

(6)式中P_c为射线终点的中心点，P_jx为射线终点的X坐标，P_jy为射线重点的Y 坐标，P_jz为射线重点的Z坐标，N表示射线终点的数量。

实施例

如图2所示，是本发明实施例提出的实际位移记录及台站位置分布示意图。用以说明本实施例所采用的三分量位移记录及台站位置分布，黑色三角形是指台站所在位置，“台站一”，“台站二”，“台站三”及“台站四”是指本实施例观测台站的编号。如图3所示，是本发明实施例提出的台站一所选取的初至纵波震相前半周期波形示意图，黑色虚线框内曲线为所选取的初至纵波震相内前1/2周期波形示意图，三分量位移记录包括正北向、正东向及垂直向位移记录。如图4所示，是本发明实施例提出的台站二所选取的初至纵波震相前半周期波形示意图，黑色虚线框内曲线为所选取的初至纵波震相内前1/2周期波形示意图，三分量位移记录包括正北向、正东向及垂直向位移记录。如图5所示，是本发明实施例提出的台站三所选取的初至纵波震相前半周期波形示意图，黑色虚线框内曲线为所选取的初至纵波震相内前1/2周期波形示意图，三分量位移记录包括正北向、正东向及垂直向位移记录。如图6所示，是本发明实施例提出的台站四所选取的初至纵波震相前半周期波形示意图，黑色虚线框内曲线为所选取的初至纵波震相内前1/2周期波形示意图，三分量位移记录包括正北向、正东向及垂直向位移记录。如图7所示，是本发明实施例提出的台站一中初至纵波射线矢量分量随扫描时窗位置变化的曲线示意图，获取了初至纵波射线矢量的三分量变化曲线，三分量包括北向分量、东向分量及垂直向，黑色原点为所选取的作为初至纵波射线矢量的三个分量。如图8所示，是本发明实施例提出的台站二中初至纵波射线矢量分量随扫描时窗位置变化的曲线示意图，获取了初至纵波射线矢量的三分量变化曲线，三分量包括北向分量、东向分量及垂直向，黑色原点为所选取的作为初至纵波射线矢量的三个分量。如图9所示，是本发明实施例提出的台站三中初至纵波射线矢量分量随扫描时窗位置变化的曲线示意图，获取了初至纵波射线矢量的三分量变化曲线，三分量包括北向分量、东向分量及垂直向，黑色原点为所选取的作为初至纵波射线矢量的三个分量。如图10所示，是本发明实施例提出的台站四中初至纵波射线矢量分量随扫描时窗位置变化的曲线示意图，获取了初至纵波射线矢量的三分量变化曲线，三分量包括北向分量、东向分量及垂直向，黑色原点为所选取的作为初至纵波射线矢量的三个分量。如图11所示，是本发明实施例提出的初至纵波射线终点在逆时射线追踪时间为1.0秒时的位置示意图。用以说明初至纵波逆向追踪时射线端点的位置及汇聚现象。如图12所示，是本发明实施例提出的初至纵波射线终点在逆时射线追踪时间为2.2秒时的位置示意图。用以说明初至纵波逆向追踪时射线端点的位置及汇聚现象。如图13所示，是本发明实施例提出的初至纵波射线终点在逆时射线追踪时间为3.7秒时的位置示意图。用以说明初至纵波逆向追踪时射线端点的位置及汇聚现象。如图14所示，是本发明实施例提出的初至纵波射线终点在逆时射线追踪时间为5.4秒时的位置示意图。用以说明初至纵波逆向追踪时射线端点的位置及汇聚现象。如图15所示，是本发明实施例提出的初至纵波射线终点在逆时射线追踪时间为6.2秒时的位置示意图。用以说明初至纵波逆向追踪时射线端点的位置及收敛过后初至纵波端点的分散现象。

图2至图15所述展示了基于逆时射线追踪算法的微地震技术的应用，其实施步骤为：

步骤1，构建三维纵波速度模型：所述三维纵波速度模型包含三维纵波速度分界面、三维纵波速度分界面法线矢量场及层间纵波速度值；其中：

所述三维纵波速度分界面是指利用三维曲面函数描述的一组具有不同埋深的起伏速度分界面，所述三维曲面函数的数学表达式为Z＝F(X,Y)，Z为曲面的埋深，X为曲面上点的横坐标，Y为曲面上点的纵坐标；

所述三维纵波速度分界面法相矢量场为指示速度界面的起伏形态及纵波速度界面法向矢量的变化情况，其计算方法是通过对三维曲面函数求取X方向及 Y方向的二阶偏导数来实现的，所述纵波速度界面法向矢量的计算表达式为：

(1)式中n为纵波速度界面法向矢量场，

表示三维曲面函数在X方向的偏导数，

表示三维曲面函数在Y方向的偏导数，纵波速度界面法向矢量场的Z 分量为1；

所述层间纵波速度值是指两个相邻但具有不同埋深的三维曲面之间所填充的均一的纵波速度值；

步骤2，提取初至纵波射线矢量：根据三分量微地震波形数据，选取初至纵波扫描范围，利用初至纵波射线矢量扫描法提取初至纵波射线矢量，其中，所述三分量微地震波形数据是指可转换为笛卡尔坐标下三个正交坐标轴上分量的地震波形数据，所述三分量微地震波形数据为三分量地表位移记录，所述初至纵波扫描范围指微地震记录中包含初至纵波震相前半周期的三分量微地震波形数据范围，所述初至纵波震相前半周期的三分量微地震波形数据范围指三分量微地震数据中初至纵波震相完整波形的前1/2部分，所述初至纵波扫描范围的微地震数据为三分量微地震波形数据；

所述初至纵波射线矢量扫描法是指利用固定时窗长度由初至纵波扫描范围起始位置逐次滑动至终止位置，时窗内的地震数据为三分量微地震数据，扫描时窗中初至纵波射线的平均矢量可根据如下公式计算：

(2)式中，V_n表示扫描时窗中初至纵波射线的平均矢量；A_ix为扫描时窗中第 i个位移记录的X分量，A_iy为扫描时窗中第i个位移记录的Y分量，A_iz为扫描时窗中第i个位移记录的Z分量；

根据纵波射线矢量选取规则，选取初至纵波射线矢量，所述纵波射线矢量选取规则包含：一是为时窗内各时刻的射线矢量与时窗内平均射线矢量的夹角达到最小，二是为时窗内平均射线矢量趋于稳定时，该平均射线矢量作为初至纵波射线矢量；所述时窗内各时刻的射线矢量为归一化的射线矢量，其具体表达式为：

(3)式中，V_i表示扫描时窗中第i个位移记录的矢量方向；

所述初至纵波射线矢量是指初至纵波射线在检波器出射时，其出射方向在地理东向，地理北向及垂直向的投影；

步骤3，求解由各检波器逆向传播的纵波射线路径：根据初始条件，基于方向矢量射线追踪方法，反向逆推求解由检波器出射的纵波射线路径，其中，所述初始条件包括射线逆向传播初始矢量与逆向传播时差，所述射线逆向传播初始矢量为空间三维矢量，该矢量与纵波射线出射矢量共线但垂直向分量向下，所述逆向传播时差指各检波器微地震记录中初至纵波震相与最早到达检波器的初至纵波震相的时间差值，各检波器具有的逆向传播时差为常数，最先记录初至纵波震相的检波器的逆向传播时差为0，所述基于方向矢量射线追踪方法指求解纵波射线由初始矢量透射空间三维曲面后所产生透射波的射线矢量，其计算公式为：

(4)式中，r_1x,r_1y,r_1z:表示初始射线矢量的分量，其中：r_1x表示X向分量， r_1y表示Y向分量，r_1z表示Z向分量；

V₁,V₂:表示界面两侧的速度，其中：V₁,表示入射矢量所在介质的纵波速度， V₂:表示透射波射线矢量所在介质的纵波速度；

n_x,n_y,n_z,:表示三维曲面函数与纵波射线交点处的法向矢量的分量，其中： n_x表示X向分量，n_y表示Y向分量，n_z表示Z向分量；

r_2x,r_2y,r_2z:表示产生的透射波射线矢量的分量，其中：r_2x表示X向分量，r_2y表示Y向分量，r_2z表示Z向分量；

P为中间变量；

所述反向逆推求解由检波器出射的纵波射线路径，其计算过程为随着逆向传播时间增大，逐步求解纵波射线路径，所述逆向传播时间指纵波射线由检波器出射时传播的总时间长度，该逆向传播时间由逆向传播时差与时间变量组成，各检波器的时间变量相同且由0时刻逐渐增大；

步骤4，震源位置计算及选取：根据地震射线间的距离方差，选取射线距离方差最小点所对应的射线中心点作为微地震震源，所述地震射线间的距离方差是指纵波射线终点的中心点与各射线终点间的方差，其计算公式为：

(5)式中，D表示方差，P_i表示射线终点的位置，N为所用检波器的数量，所述纵波射线终点指纵波射线在逆向传播时间的约束下，纵波射线末端的位置；所述选取射线距离方差最小点指纵波射线由检波器逆向传播至地球内部时，纵波射线终点方差最小的时刻，所述纵波射线距离方差最小点所对应的射线中心点指纵波射线终点方差最小的时刻所对应的射线中心点，其计算公式为：

(6)式中P_c为射线终点的中心点，P_jx为射线终点的X坐标，P_jy为射线重点的Y 坐标，P_jz为射线重点的Z坐标，N表示射线终点的数量。

以上具体实施方式及实施例是对本发明提出的一种基于逆时射线追踪方法的微地震定位技术思想的具体支持，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在本技术方案基础上所做的任何等同变化或等效的改动，均仍属于本发明技术方案保护的范围。

Claims (4)

1.一种基于逆时射线追踪方法的微地震定位技术，其特征在于，包括以下具体步骤：

步骤1，构建三维纵波速度模型：所述三维纵波速度模型包含三维纵波速度分界面、三维纵波速度分界面法向矢量及层间纵波速度值；其中：

所述三维纵波速度分界面是指利用三维曲面函数描述的一组具有不同埋深的起伏速度分界面，所述三维曲面函数的数学表达式为Z＝F(X,Y)，Z为曲面的埋深，X为曲面上点的横坐标，Y为曲面上点的纵坐标；

所述三维纵波速度分界面法向矢量为指示纵波速度分界面的起伏形态及纵波速度分界面法向矢量的变化情况，其计算方法是通过对三维曲面函数求取X方向及Y方向的偏导数来实现的，所述纵波速度分界面法向矢量的计算表达式为：

(1)式中

为纵波速度分界面法向矢量，

表示三维曲面函数在X方向的偏导数，

表示三维曲面函数在Y方向的偏导数，纵波速度分界面法向矢量的Z分量为1；

所述层间纵波速度值是指两个相邻但具有不同埋深的三维曲面之间所填充的均一的纵波速度值；

步骤2，提取初至纵波射线矢量：根据三分量微地震波形数据，选取初至纵波扫描范围，利用初至纵波射线矢量扫描法提取初至纵波射线矢量，其中，所述三分量微地震波形数据是指转换为笛卡尔坐标下三个正交坐标轴上分量的地震波形数据，所述三分量微地震波形数据为三分量地表位移记录，所述初至纵波扫描范围指微地震记录中包含初至纵波震相前半周期的三分量微地震波形数据范围，所述初至纵波震相前半周期的三分量微地震波形数据范围指三分量微地震波形数据中初至纵波震相完整波形的前1/2部分，所述初至纵波扫描范围的微地震数据为三分量微地震波形数据；

所述初至纵波射线矢量扫描法是指利用固定时窗长度由初至纵波扫描范围起始位置逐次滑动至终止位置，时窗内的地震数据为三分量微地震波形数据，扫描时窗中初至纵波射线的平均矢量根据如下公式计算：

(2)式中，V_n表示扫描时窗中初至纵波射线的平均矢量；A_ix为扫描时窗中第i个位移记录的X分量，A_iy为扫描时窗中第i个位移记录的Y分量，A_iz为扫描时窗中第i个位移记录的Z分量；

根据纵波射线矢量选取规则，选取初至纵波射线矢量，所述纵波射线矢量选取规则包含：一是时窗内各时刻的射线矢量与时窗内平均矢量的夹角达到最小，二是时窗内平均矢量趋于稳定时，该平均矢量作为初至纵波射线矢量；所述时窗内各时刻的射线矢量为归一化的射线矢量，其具体表达式为：

(3)式中，V_i表示扫描时窗中第i个位移记录的矢量方向；

步骤3，求解由各检波器逆向传播的纵波射线路径：根据初始条件，基于方向矢量射线追踪方法，反向逆推求解由检波器出射的纵波射线路径，其中，所述初始条件包括射线逆向传播初始矢量与逆向传播时差，所述射线逆向传播初始矢量为空间三维矢量，该矢量与纵波射线出射矢量共线但垂直向分量向下，所述逆向传播时差指各检波器微地震记录中初至纵波震相与最早到达检波器的初至纵波震相的时间差值，各检波器具有的逆向传播时差为常数，最先记录初至纵波震相的检波器的逆向传播时差为0，所述基于方向矢量射线追踪方法指求解纵波射线由初始矢量透射空间三维曲面后所产生透射波的射线矢量，其计算公式为：

(4)式中，r_1x、r_1y、r_1z表示初始矢量的分量，其中：r_1x表示X向分量，r_1y表示Y向分量，r_1z表示Z向分量；

V₁、V₂表示界面两侧的速度，其中：V₁表示初始矢量所在介质的纵波速度，V₂表示透射波射线矢量所在介质的纵波速度；

n_x、n_y、n_z表示三维曲面函数与纵波射线交点处的法向矢量的分量，其中：n_x表示X向分量，n_y表示Y向分量，n_z表示Z向分量；

r_2x、r_2y、r_2z表示产生的透射波射线矢量的分量，其中：r_2x表示X向分量，r_2y表示Y向分量，r_2z表示Z向分量；

P为中间变量；

所述反向逆推求解由检波器出射的纵波射线路径，其计算过程为随着逆向传播时间增大，逐步求解纵波射线路径，所述逆向传播时间指纵波射线由检波器出射时传播的总时间长度，该逆向传播时间由逆向传播时差与时间变量组成，各检波器的时间变量相同且由0时刻逐渐增大；

步骤4，震源位置计算及选取：根据纵波射线路径间的距离方差，选取射线距离方差最小点所对应的射线中心点作为微地震震源，所述纵波射线路径间的距离方差是指纵波射线终点的中心点与各射线终点间的方差，其计算公式为：

(5)式中，D表示方差，P_i表示从第i个检波器出发的射线的终点的位置，N为所用检波器的数量，所述纵波射线终点指纵波射线在逆向传播时间的约束下，纵波射线末端的位置；所述选取射线距离方差最小点指纵波射线由检波器逆向传播至地球内部时，纵波射线终点方差最小的时刻，所述纵波射线距离方差最小点所对应的射线中心点指纵波射线终点方差最小的时刻所对应的射线中心点，其计算公式为：

(6)式中P_c为射线终点的中心点，P_jx为从第j个检波器出发的射线的终点的X坐标，P_jy为从第j个检波器出发的射线的终点的Y坐标，P_jz为从第j个检波器出发的射线的终点的Z坐标，N为所用检波器的数量。

2.根据权利要求1所述的一种基于逆时射线追踪方法的微地震定位技术，其特征在于，步骤1所述纵波速度分界面中各点的属性值的形式为：

(X,Y,Z，nx,ny,1,V) (7)

(7)式中，X为该点的横坐标，Y为该点的纵坐标，Z为该点的埋深，nx为该点法向矢量在X方向的分量，ny为该点法向矢量在Y方向的分量，该点的法向矢量在Z方向的分量为1，V表示该点下伏地层的速度值。

3.根据权利要求2所述的一种基于逆时射线追踪方法的微地震定位技术，其特征在于，步骤3所述逐步求解纵波射线路径是指基于上一时刻的射线终点位置计算下一时刻的射线终点位置，当逆向传播时间增大时，前一逆向传播时间下的射线终点作为下一逆向传播时间下的射线起始点参与计算。

4.根据权利要求3所述的基于逆时射线追踪方法的微地震定位技术，其特征在于，步骤4所述选取射线距离方差最小点所对应的中心点是指纵波射线终点方差第一次达到最小时所对应的纵波射线终点的中心点。

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