CN109085642B - 一种各向异性介质微地震事件定位方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种各向异性介质微地震事件定位方法。该方法包括以下步骤：1)利用拾取的射孔微地震信号纵横波走时作为观测值，建立射孔信号相对走时目标方程进行反演，获得各向异性速度模型；2)利用微地震事件纵横波走时作为观测值，建立微地震事件混合时差目标方程进行反演，获得微地震事件空间位置；3)在设定范围内再次反演微地震事件空间位置与各向异性参数，得到再定位的微地震事件空间位置以及对应的修正后的速度模型。本发明考虑地层各向异性对纵横波走时影响，消除或减少了微地震事件定位不稳定性、不准确，提高了微地震事件定位的精度。

Description

一种各向异性介质微地震事件定位方法

技术领域

本发明涉及井中微地震信号处理领域，更具体地，涉及一种各向异性介质微地震事件定位方法。

背景技术

井中微地震监测是微地震观测方式之一，特点是井下三分量检波器接收微地震全波场信号，相对于地面微地震监测，井中接收到的数据信噪比较高、微地震事件个数与类型较丰富，但是缺点是井下检波器方位未知，导致检波器X分量、Y分量微地震数据杂乱无序，影响后续定位处理。同时，由于井中微地震观测距离较短(一般在200～100米范围左右)且检波器个数有限(一般12～32级三分量井中检波器)，也就是说，信号接收范围过窄，导致一些井中微地震定位容易出现不稳定、精度不高等现象。

目前，井中微地震定位技术主要有两种思路：一是基于P波、S波事件旅行时正演，代表算法有网络搜索法、模拟退火法、geiger法等，优点是容易实现，缺点是由于初至相位信号弱导致P波、S波事件旅行时难以准确拾取，影响定位结果；第二种定位思路是基于波动方程褶积，代表算法有干涉法、逆时偏移法、被动源成像法，优点是不需要拾取事件初至，缺点是对资料信噪比、速度模型要求高，检波器个数要多，且计算成本高。并且，以上方法适用于基于各向同性均匀介质，但是在非常规致密砂岩气、页岩气藏储层压裂微地震开发中，地层存在非均质性，属于各向异性介质，微地震纵横波走时及传播路径不同于各向同性，导致用目前方法微地震事件定位不准。因此，有必要提出一种针对各向异性介质的井中微地震定位方法。

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

现有的基于纵横波走时定位方法中的走时有相对走时与双差之分。相对走时指的是相邻检波器走时之差，举例来说，拾取16个检波器纵波走时，第2个检波器走时减去第1个检波器走时即为相对走时；双差指的是“事件相对走时”与“射孔相对走时”之差，不同的是事件空间位置未知、射孔位置已知。本发明提出了混合时差概念，即基于相对时差、双差、各向异性介质，提出了一种新的定位方法。首先，通过先对射孔开展各向异性定位分析，获得一组各向异性速度模型作为地层初始参数模型；然后采用各向异性纵横波混合时差联合定位方法对微地震事件直接进行定位处理，获得微地震事件初始空间位置；再利用层析思路，考虑地层非均值性，开展微地震事件再定位，即不断地修正各向异性速度模型，同时反演微地震事件空间位置，直至走时误差最小，最终获得精度更高的微地震事件定位结果。

该方法包括以下步骤：

1)利用拾取的射孔微地震信号纵波走时T_shoot,P、横波走时T_shoot,S作为观测值，建立射孔信号相对走时目标方程OPJ_shoot，基于已知射孔空间位置的各向异性参数值和垂向纵横波速度值进行反演，获得各向异性速度模型V_model＝{ε,δ,V_P0,V_S0}，其中，(ε、δ)为各向异性参数，(V_P0、V_S0)为垂向纵横波速度；

2)利用微地震事件纵波走时T_event,P、横波走时T_event,S作为观测值，建立微地震事件混合时差目标方程OPJ_event，基于所述各向异性速度模型作为初始地层模型进行反演，获得微地震事件空间位置RT_event＝{L_event,Z_event}，其中，L_event为微地震事件水平距离，Z_event为微地震事件深度距离；

3)利用微地震事件纵波走时T_event,P、横波走时T_event,S作为观测值，建立微地震事件混合时差目标方程OPJ_event，基于所述各向异性速度模型作为初始地层模型进行反演，获得微地震事件空间位置RT_event＝{L_event,Z_event}，其中，L_event为微地震事件水平距离，Z_event为微地震事件深度距离。

优选地，所述射孔信号相对走时目标方程OPJ_shoot为：

OPJ_shoot＝OPJ_shoot,P+OPJ_shoot,PS (1)

其中，

分别为拾取的射孔微地震信号纵波走时与横波走时，T_shoot,P、T_shoot,S分别为反演的射孔微地震信号纵波走时和横波走时，i为检波器序号。

优选地，步骤1)包括同时求解以下四个方程，计算基于各向异性速度模型V_model＝{ε,δ,V_P0,V_S0}：

优选地，通过最小二乘法求解方程(4)～(7)。

优选地，所述微地震事件混合时差目标方程OPJ_event为：

OPJ_event＝OPJ^* _event,P+OPJ^* _event,PS (8)

OPJ^* _event,P＝OPJ¹ _event,P+OPJ² _event,P (9)

OPJ^* _event,PS＝OPJ¹ _event,PS+OPJ² _event,PS (10)

其中，OPJ¹ _event,P、OPJ² _event,P分别为微地震事件P波走时相对时差误差绝对值、基于射孔P波走时双差绝对值，OPJ¹ _event,PS、OPJ² _event,PS分别为微地震事件纵波、横波走时时差相对误差绝对值、基于射孔纵波、横波走时时差双差绝对值，

分别为第i个检波器微地震事件拾取的纵波、横波走时真实值，T_event,P,i、T_event,S,i分别为第i个检波器微地震事件纵波、横波走时反演值。

优选地，步骤2)包括同时求解以下两个方程，计算初始微地震事件空间位置RT_event＝{L_event,Z_event}：

优选地，通过网格搜索法来求解方程(15)～(16)：

基于射孔定位速度模型V_model建立网格，将每个网格位置作为微地震事件可能位置，利用射线追踪计算出每个网格点处微地震事件纵波初至走时T_event,Pi、横波初至走时T_event,Si，统计与微地震事件观测真实值之间误差，误差最小对应的网格位置即为所述微地震事件空间位置RT_event＝{L_event,Z_event}。

优选地，步骤3)包括同时求解以下四个方程，得到再定位的微地震事件空间位置RT^* _event＝{L^* _event,Z^* _event}以及对应的修正后的速度模型V^* _model＝{ε^*,δ^*,V_P0,V_S0}：

优选地，通用网格搜索法来求解方程(17)～(20)：

以所述微地震事件空间位置为中心建立网格，在射孔定位各向异性速度模型V_model基础上，在设定范围内针对所有各向异性参数可能值反演对应的微地震事件空间位置，相应地射线追踪出纵横波初至走时，并与真实观测走时值比较以计算走时误差，将可能走时误差最小值对应的微地震事件空间位置与各向异性参数确定为再定位的微地震事件空间位置RT^* _event＝{L^* _event,Z^* _event}与对应的修正后的速度模型V^* _model＝{ε^*,δ^*,V_P0,V_S0}。

根据本发明的各向异质介质微地震定位方法满足了煤层气、页岩气等非常规微地震监测需要，考虑地层各向异性对纵横波走时影响，消除或减少了微地震事件定位不稳定性、不准确，提高了微地震事件定位的精度。

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

通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1为根据本发明的示例性实施方案的各向异性介质混合时差纵横波联合定位方法的流程图；

图2为射孔、检波器、微地震事件观测侧视图，其中，▲表示射孔、◆表示检波器、●表示事件；

图3为基于射孔定位分析的初始地层参数模型的本发明的微地震事件定位结果示意图；

图4为图3的定位结果误差统计；

图5为基于图3的初始结果，利用本发明对微地震事件作层析再定位的结果示意图；

图6是图5的定位结果误差统计。

具体实施方式

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

本文发明提出了一种各向异性介质定位方法，其是基于各向异性介质纵横波走时的混合时差联合定位方法，实现该方法主要包含：首先开展各向异性介质射孔定位分析，拾取射孔纵横波走时作为已经观测值，建立各向异性介质纵横波相对走时联合定位目标方程，反演出射孔纵横波走时误差绝对值最小时对应的各向异性速度模型V_model＝{ε,δ,V_P0,V_S0}；之后利用第一步射孔定位分析的各向异性速度模型作为初始地层模型，采用各向异性纵横波混合时差联合定位方法，直接对微地震事件定位处理，获得初始空间分布RT_event＝{L_event,Z_event}；最后开展基于本发明定位方法的微地震层析定位，即：以微地震事件初始空间分布作为定位中心，以地层模型V_model为参数中心，以定位方程作为目标方程，开展层析反演，寻找一组纵横波走时无限接近观测真实值，最终获得微地震事件层析再定位结果RT^* _event＝{L^* _event,Z^* _event}以及对应的修正后的速度模型V^* _model＝{ε^*,δ^*,V_P0,V_S0}。

以下参考图1详细描述根据本发明示例性实施例的各向异性介质定位方法的流程图。该方法主要包括：

步骤1：利用拾取的射孔微地震信号纵波走时T_shoot,P、横波走时T_shoot,S作为观测值，建立射孔信号相对走时目标方程OPJ_shoot，基于已知射孔空间位置的各向异性参数值和垂向纵横波速度值进行反演，获得各向异性速度模型V_model＝{ε,δ,V_P0,V_S0}，其中，(ε、δ)为各向异性参数，(V_P0、V_S0)为垂向纵横波速度。

其中，各向异性介质纵横波相对走时定位目标方程OPJ_shoot为：

OPJ_shoot＝OPJ_shoot,P+OPJ_shoot,PS (1)

其中，

分别为拾取的射孔微地震信号纵波走时与横波走时，T_shoot,P、T_shoot,S分别为反演的射孔微地震信号纵波走时和横波走时，i为检波器序号。即，射孔信号相对走时目标方程OPJ_shoot表示为P波相对走时误差绝对值加上P、S波走时时差相对误差绝对值。

通过寻找合适的参数模型V_model，使得目标方程OPJ趋近于零值，即同时求解以下四个方程，计算基于各向异性速度模型V_model＝{ε,δ,V_P0,V_S0}：

可以利用最小二乘法同时求解上述四个方程。

步骤2：利用微地震事件纵波走时T_event,P、横波走时T_event,S作为观测值，建立微地震事件混合时差目标方程OPJ_event，基于所述各向异性速度模型作为初始地层模型进行反演，获得微地震事件空间位置RT_event＝{L_event,Z_event}，其中，L_event为微地震事件水平距离，Z_event为微地震事件深度距离。

其中，各向异性介质纵横波混合时差定位目标方程为：

OPJ_event＝OPJ^* _event,P+OPJ^* _event,PS (8)

OPJ^* _event,P＝OPJ¹ _event,P+OPJ² _event,P (9)

OPJ^* _event,PS＝OPJ¹ _event,PS+OPJ² _event,PS (10)

其中，OPJ¹ _event,P、OPJ² _event,P分别为微地震事件P波走时相对时差误差绝对值、基于射孔P波走时双差绝对值，OPJ¹ _event,PS、OPJ² _event,PS分别为微地震事件纵波、横波走时时差相对误差绝对值、基于射孔纵波、横波走时时差双差绝对值，

分别为第i个检波器微地震事件拾取的纵波、横波走时真实值，T_event,P,i、T_event,S,i分别为第i个检波器微地震事件纵波、横波走时反演值。即，微地震事件混合时差目标方程表示为相对时差与基于射孔走时双差相加。

地层参数模型在此时是已知的，微地震事件定位仅为微地震事件水平距离L_event、深度距离Z_event反演过程。通过同时求解以下两个方程可以计算初始微地震事件空间位置RT_event＝{L_event,Z_event}：

可以通过网格搜索法来求解方程(15)-(16)：基于射孔定位速度模型V_model建立网格，将每个网格位置作为微地震事件可能位置，利用射线追踪计算出每个网格点处微地震事件纵波初至走时T_event,Pi、横波初至走时T_event,Si，统计与微地震事件观测真实值之间误差，误差最小对应的网格位置即为所述微地震事件空间位置RT_event＝{L_event,Z_event}。

步骤3：以所述微地震事件空间位置为定位中心，以所述各向异性参数模型为参数中心，以所述微地震事件混合时差目标方程OPJ_event为目标，在设定范围内再次反演微地震事件空间位置与各向异性参数，得到再定位的微地震事件空间位置RT^* _event＝{L^* _event,Z^* _event}以及对应的修正后的速度模型V^* _model＝{ε^*,δ^*,V_P0,V_S0}。

由于微地震事件所在位置各向异性参数与射孔所在位置存在细微差异，如果直接用射孔定位各向异性速度模型进行微地震事件定位，这种差异会导致其定位结果较大误差。为了解决这种差异，进一步提高定位精度，提出各向异性介质微地震事件层析定位思路，其目标方程如式(8)表示的OPJ_event，不同的是，层析计算不仅要反演微地震事件空间位置径向、深度之外，还要同时反演速度模型中的各向异性参数，不断迭代，直至误差收敛。

可以能过同时求解以下四个方程，得到再定位的微地震事件空间位置RT^* _event＝{L^* _event,Z^* _event}以及对应的修正后的速度模型V^* _model＝{ε^*,δ^*,V_P0,V_S0}：

可以利用网格搜索法来求解上述四组偏导方程，具体过程为：在可能的微地震事件位置，根据精度要求，建立网格，在射孔定位各向异性速度模型V_model基础上，给各向异性参数一定取值范围内，针对该范围内所有各向异性参数可能值，根据步骤2的操作，反演对应的微地震事件空间位置径向、深度，相应地射线追踪出纵横波初至走时，并与真实观测走时值比较，计算走时误差，寻找所有可能走时误差最小值，此时对应的微地震事件空间位置与各向异性参数，即为最终反演出的事件层析定位结果RT^* _event＝{L^* _event,Z^* _event}与其修正后的速度模型V^* _model＝{ε^*,δ^*,V_P0,V_S0}。

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。

下面利用井中微地震模型数据来验证根据本发明的各向异性介质微地震事件定位方法的准确性。

本次井中微地震观测例子为14级井下检波器监测微地震信号、1个已知射孔信号与21个事件信号，其观测系统径向、深度坐标几何关系如图2所示，表1为不同震源点位置对应的各向异性参数ε、δ。

表1观测系统径向、深度坐标

利用高精度射线追踪算法，根据图2所示的观测方式与表1所示的各向异性参数正演出每个震源点达到检波器的纵横波走时，作为已知观测值输入来验证本发明的方法。

首先，根据公式(1)～(7)，开展已知射孔位置各向异性纵横波联合定位分析。已知射孔空间位置，利用最小二乘法求解目标方程组(公式(4)～(7))，寻找一组参数组合，使得纵横波走时与观测值无限接近，直至收敛，获得基于射孔定位分析的各向异性速度模型，如表2所示。

表2射孔地层参数的真实值与反演值

射孔地层参数	真实值	反演值
			垂向纵波速度V<sub>P0</sub>(m/s)	3028	3030
垂向横波速度V<sub>S0</sub>(m/s)	1488	1490
			各向异性参数ε	0.255	0.260
各向异性参数δ	-0.05	-0.035

之后，将上述各向异性速度模型作为初始地层参数模型，根据公式(11)～(14)，直接对微地震事件进行定位处理，用网格法求解公式(15)～(16)，寻找震源最佳空间位置，使得对应的纵横波走时最接近真实值，将此时的震源最佳位置作为下一步初始定位结果。图3为基于射孔定位分析出的各向异性模型用本发明微地震事件直接定位结果，存在一定的误差，如图4所示，其中每组数据中左边dLx表示径向误差，右边dZx表示深度误差。这说明，不同位置各向异性差异性，会引起一定程度定位误差。

最后，为了进一步提高定位精度，在初步定位结果基础上，利用本发明公式(8)～(14)，采用层析思路，即以初始结果为中心，给定数值范围，同时反演微地震事件空间位置与各向异性，直至纵横波走时无限接近观测真实值。用网格法偏导公式(17)～(20)，从而最终实现微地震事件精确定位，结果如图5所示，其对应定位误差如图6所示，其中每组数据中左边dLx表示径向误差，右边dZx表示深度误差。可以看出，径向、深度定位误差进一步减少，验证了本发明可以获得更高精度微地震定位结果。

本领域技术人员应理解，上面对本发明的实施例的描述的目的仅为了示例性地说明本发明的实施例的有益效果，并不意在将本发明的实施例限制于所给出的任何示例。

以上已经描述了本发明的各实施例，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 (7)

1.一种各向异性介质微地震事件定位方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

1)利用拾取的射孔微地震信号纵波走时T_shoot,P、横波走时T_shoot,S作为观测值，建立射孔信号相对走时目标方程OPJ_shoot，基于已知射孔空间位置的各向异性参数值和垂向纵横波速度值进行反演，获得各向异性速度模型V_model＝{ε,δ,V_P0,V_S0}，其中，(ε、δ)为各向异性参数，(V_P0、V_S0)为垂向纵横波速度；

2)利用微地震事件纵波走时T_event,P、横波走时T_event,S作为观测值，建立微地震事件混合时差目标方程OPJ_event，基于各向异性速度模型作为初始地层模型进行反演，获得微地震事件空间位置RT_event＝{L_event,Z_event}，其中，L_event为微地震事件水平距离，Z_event为微地震事件深度距离；

3)以所述微地震事件空间位置为定位中心，以所述各向异性参数为参数中心，以所述微地震事件混合时差目标方程OPJ_event为目标，在设定范围内再次反演微地震事件空间位置与各向异性参数，得到再定位的微地震事件空间位置RT^* _event＝{L^* _event,Z^* _event}以及对应的修正后的速度模型V^* _model＝{ε^*,δ^*,V_P0,V_S0}其中，所述射孔信号相对走时目标方程OPJ_shoot为：

OPJ_shoot＝OPJ_shoot,P+OPJ_shoot,PS (1)

其中，T_shoot,P、T_shoot,S分别为拾取的射孔微地震信号纵波走时与横波走时，

分别为反演的射孔微地震信号纵波走时和横波走时，i为检波器序号；

所述微地震事件混合时差目标方程OPJ_event为：

OPJ_event＝OPJ^* _event,P+OPJ^* _event,PS (8)

OPJ^* _event,P＝OPJ¹ _event,P+OPJ² _event,P (9)

OPJ^* _event,PS＝OPJ¹ _event,PS+OPJ² _event,PS (10)

其中，OPJ¹ _event,P、OPJ² _event,P分别为微地震事件P波走时相对时差误差绝对值、基于射孔P波走时双差绝对值，OPJ¹ _event,PS、OPJ² _event,PS分别为微地震事件纵波、横波走时时差相对误差绝对值、基于射孔纵波、横波走时时差双差绝对值，T_event,P,i、T_event,S,i分别为第i个检波器微地震事件拾取的纵波、横波走时真实值，T_event,P0,i、T_event,S0,i分别为第i个检波器微地震事件纵波、横波走时反演值。

2.根据权利要求1所述的各向异性介质微地震事件定位方法，其特征在于，所述步骤1)包括同时求解以下四个方程，计算各向异性速度模型V_model＝{ε,δ,V_P0,V_S0}：

3.根据权利要求2所述的各向异性介质微地震事件定位方法，其特征在于，通过最小二乘法求解方程(4)～(7)。

4.根据权利要求1所述的各向异性介质微地震事件定位方法，其特征在于，所述步骤2)包括同时求解以下两个方程，计算微地震事件空间位置RT_event＝{L_event,Z_event}：

5.根据权利要求4所述的各向异性介质微地震事件定位方法，其特征在于，通过网格搜索法来求解方程(15)～(16)：

基于射孔定位速度模型V_model建立网格，将每个网格位置作为微地震事件可能位置，利用射线追踪计算出每个网格点处微地震事件纵波初至走时T_event,Pi、横波初至走时T_event,Si，统计与微地震事件观测真实值之间误差，误差最小对应的网格位置即为所述微地震事件空间位置RT_event＝{L_event,Z_event}。

6.根据权利要求5所述的各向异性介质微地震事件定位方法，其特征在于，所述步骤3)包括同时求解以下四个方程，得到再定位的微地震事件空间位置RT^* _event＝{L^* _event,Z^* _event}以及对应的修正后的速度模型V^* _model＝{ε^*,δ^*,V_P0,V_S0}：

7.根据权利要求6所述的各向异性介质微地震事件定位方法，其特征在于，通用网格搜索法来求解方程(17)～(20)：

以所述微地震事件空间位置为中心建立网格，在射孔定位各向异性速度模型V_model基础上，在设定范围内针对所有各向异性参数可能值反演对应的微地震事件空间位置，相应地射线追踪出纵横波初至走时，并与真实观测走时值比较以计算走时误差，将可能走时误差最小值对应的微地震事件空间位置与各向异性参数确定为再定位的微地震事件空间位置RT^* _event＝{L^* _event,Z^* _event}与对应的修正后的速度模型V^* _model＝{ε^*,δ^*,V_P0,V_S0}。

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