CN109655901A - 一种频率域自适应偏振角计算方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种频率域自适应偏振角计算方法及系统，该方法包括：将每个检波器的三个分量变换到频率域Uij(ω)；计算每个频率的自适应阈值范围；利用自适应阈值范围识别异常频率成份，确定频率集合Sj；利用频率集合Sj，通过相关目标函数计算偏振角。本发明相对于已有技术最大的创新点在于在频率域中自适应计算偏振角，这种方法可以在频率域中选择品质高的频率成份参与计算，提高偏振角计算的稳定性。
Description
技术领域
本发明属于微地震监测中一种偏振分析方法。具体地，涉及在频率域中自适应选择高品质频率成份计算偏振角。
背景技术
近20年伴随着非常规低渗透油气藏的开采，水力压裂技术已成为油气田增产的一个主要措施。而微地震监测技术在水力压裂过程中起到监测评估的作用。微地震监测技术的地球物理基础是通过观测、分析水力压裂过程中所产生的微小地震事件来评估生产活动效果。井中监测方式是微地震监测方式中的一种重要手段，它是在压裂井中进行水力压裂施工，在临近观测井中布置多级检波器排列进行微地震信号监测。
要实现对微地震事件的定位，偏振角计算是定位过程中必不可少的步骤。计算偏振角有许多种方法，例如矢端曲线能量准则法、协方差法、最大能量准则法。这些方法在信噪比高的情况效果都不错。但是在微地震监测中有监测井距离压裂井较近(约300～600米)，噪音比较强，再加上微地震事件的震级较低，造成了偏振角计算不稳定。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明给出了一种频率域自适应偏振角计算方法。
根据本发明的一个方面，提供一种频率域自适应偏振角计算方法，该方法包括：
将每个检波器的三个分量变换到频率域Uij(ω)；
计算每个频率的自适应阈值范围；
利用自适应阈值范围识别异常频率成份，确定频率集合Sj；
利用频率集合Sj，通过相关目标函数计算偏振角。
进一步地，将每个检波器的三个分量变换到频率域中，记作Uij(ω)＝|FFT(uij(t))|，
其中，i表示三个分量，取值1，2，3，分别对应两个水平分量和垂直分量，j表示检波器的序号1,…,N。
进一步地，设纵波的偏振角为则旋转完成后切向分量uT、径向分量uR和垂向分量uZ为：
其中uE、uN为三分量检波器的两个水平分量，uZ为三分量检波器的垂向分量。
进一步地，计算每个频率的自适应阈值范围包括：
统计每个频率成份的平均值：
统计每个频率成份的方差：
进一步地，每个频率的自适应阈值为：
Th(ω)＝E(ω)+σ(ω) (4)
进一步地，如果Uij(ω)大于Th(ω)，则该频率成份不属于集合Sj；反之，则该频率成份属于集合Sj。
进一步地，在频率域中相关目标函数为：
式中，Sj为选定频率的集合，j表示检波器序号1,…,N。
根据本发明的另一方面，提供一种频率域自适应偏振角计算系统，该系统包括：
存储器，存储有计算机可执行指令；
处理器，所述处理器运行所述存储器中的计算机可执行指令，执行以下步骤：
将每个检波器的三个分量变换到频率域Uij(ω)；
计算每个频率的自适应阈值范围；
利用自适应阈值范围识别异常频率成份，确定频率集合Sj；
利用频率集合Sj，通过相关目标函数计算偏振角。
进一步地，每个频率的自适应阈值为：
Th(ω)＝E(ω)+σ(ω) (4)
其中每个频率成份的平均值为：
每个频率成份的方差为：
进一步地，如果Uij(ω)大于Th(ω)，则该频率成份不属于集合Sj；反之，则该频率成份属于集合Sj；
在频率域中相关目标函数为：
式中，Sj为选定频率的集合，j表示检波器序号1,…,N。
本发明相对于已有技术最大的创新点在于在频率域中自适应计算偏振角，这种方法可以在频率域中选择品质高的频率成份参与计算，提高偏振角计算的稳定性。
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示出了本发明实施例的微地震井中监测示意图。
图2示出了本发明实施例的方法流程图。
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。
本发明是一种频率域自适应偏振角计算方法。要实现对微地震事件的定位，偏振角计算是定位过程中必不可少的步骤。计算偏振角有许多种方法，例如矢端曲线能量准则法、协方差法、最大能量准则法。这些方法在信噪比高的情况效果都不错。但是在微地震监测中有监测井距离压裂井较近(约300～600米)，噪音比较强，再加上微地震事件的震级较低，造成了偏振角计算不稳定。因此，本专利给出一种频率域自适应偏振角计算方法。
根据本发明的一个实施方式，提供一种频率域自适应偏振角计算方法，该方法包括：
将每个检波器的三个分量变换到频率域Uij(ω)；
计算每个频率的自适应阈值范围；
利用自适应阈值范围识别异常频率成份，确定频率集合Sj；
利用频率集合Sj，通过相关目标函数计算偏振角。
偏振角分析的理论依据是纵波的偏振方向与波的传播方向一致。设纵波的偏振角为则旋转完成后切向分量uT、径向分量uR和垂向分量uZ为：
其中uE、uN为三分量检波器的两个水平分量，uZ为三分量检波器的垂向分量。
在微地震三分量中噪音主要来源于井场噪音，在频率域中表现为近单频的能量极值。因此在频率域中构建目标函数时可以有选择性地选取频率成份参与目标计算，避免噪音干扰目标函数计算。
优选地，频率集合Sj选择过程：
(1)将每个检波器的三个分量变换到频率域中，记作Uij(ω)＝|FFT(uij(t))|，i表示三个分量，取值1，2，3(即E，N，Z)，分别对应两个水平分量和垂直分量，j表示检波器的序号1,…,N。
(2)计算每个频率的自适应阈值范围
统计每个频率成份的平均值：
统计每个频率成份的方差：
则每个频率的自适应阈值：
Th(ω)＝E(ω)+σ(ω) (4)
(3)利用自适应阈值范围识别异常频率成份
如果Uij(ω)大于Th(ω)，则该频率成份不属于集合Sj中；反之，则该频率成份属于集合Sj。
经过旋转后，得到切向分量uT(t)垂直于径向分量uR(t)与垂向分量uZ(t)构成平面，其能量最小。而且在检波器的三个分量中微地震纵波到达时间是一致的，因此三个分量的两两相关在零点处取极小值。
因此，在频率域中相关目标函数为：
式中，为偏振角，Sj为选定频率的集合，j表示检波器序号，取值1,…,N。
该目标函数(5)的求取可以选用全局寻优计算方法(例如，模拟退火算法、差分进化算法)进行求解。
根据本发明的另一实施方式，提供一种频率域自适应偏振角计算系统，该系统包括：
存储器，存储有计算机可执行指令；
处理器，所述处理器运行所述存储器中的计算机可执行指令，执行以下步骤：
将每个检波器的三个分量变换到频率域Uij(ω)；
计算每个频率的自适应阈值范围；
利用自适应阈值范围识别异常频率成份，确定频率集合Sj；
利用频率集合Sj，通过相关目标函数计算偏振角。
进一步地，每个频率的自适应阈值为：
Th(ω)＝E(ω)+σ(ω) (4)
其中每个频率成份的平均值为：
每个频率成份的方差为：
进一步地，如果Uij(ω)大于Th(ω)，则该频率成份不属于集合Sj；反之，则该频率成份属于集合Sj；
在频率域中相关目标函数为：
式中，Sj为选定频率的集合，j表示检波器序号1,…,N。
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。
如图2所示，首先输入数据，并将记录数据变换到频率域Uij(ω)。
按照公式(2)-(4)计算平均值、方差和自适应阈值，然后将振幅值小于自适应阈值的频率纳入计算序列，最后按照公式(5)计算偏振角。
本发明的方法可以在频率域中选择品质高的频率成份参与计算，提高偏振角计算的稳定性。
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)
1.一种频率域自适应偏振角计算方法，其特征在于，该方法包括：
将每个检波器的三个分量变换到频率域Uij(ω)；
计算每个频率的自适应阈值范围；
利用自适应阈值范围识别异常频率成份，确定频率集合Sj；
利用频率集合Sj，通过相关目标函数计算偏振角。
2.根据权利要求1所述的频率域自适应偏振角计算方法，其特征在于，将每个检波器的三个分量变换到频率域中，记作Uij(ω)＝|FFT(uij(t))|，
其中，i表示三个分量，取值1，2，3，分别对应两个水平分量和垂直分量，j表示检波器的序号1,…,N。
3.根据权利要求2所述的频率域自适应偏振角计算方法，其特征在于，设纵波的偏振角为则旋转完成后切向分量uT、径向分量uR和垂向分量uZ为：
其中uE、uN为三分量检波器的两个水平分量，uZ为三分量检波器的垂向分量。
4.根据权利要求1所述的频率域自适应偏振角计算方法，其特征在于，计算每个频率的自适应阈值范围包括：
统计每个频率成份的平均值：
统计每个频率成份的方差：
5.根据权利要求4所述的频率域自适应偏振角计算方法，其特征在于，每个频率的自适应阈值为：
Th(ω)＝E(ω)+σ(ω) (4)。
6.根据权利要求5所述的频率域自适应偏振角计算方法，其特征在于，如果Uij(ω)大于Th(ω)，则该频率成份不属于集合Sj；反之，则该频率成份属于集合Sj。
7.根据权利要求5所述的频率域自适应偏振角计算方法，其特征在于，在频率域中相关目标函数为：
式中，Sj为选定频率的集合，j表示检波器序号1,…,N。
8.一种频率域自适应偏振角计算系统，其特征在于，该系统包括：
存储器，存储有计算机可执行指令；
处理器，所述处理器运行所述存储器中的计算机可执行指令，执行以下步骤：
将每个检波器的三个分量变换到频率域Uij(ω)；
计算每个频率的自适应阈值范围；
利用自适应阈值范围识别异常频率成份，确定频率集合Sj；
利用频率集合Sj，通过相关目标函数计算偏振角。
9.根据权利要求8所述的频率域自适应偏振角计算系统，其特征在于，每个频率的自适应阈值为：
Th(ω)＝E(ω)+σ(ω) (4)
其中每个频率成份的平均值为：
每个频率成份的方差为：
10.根据权利要求9所述的频率域自适应偏振角计算系统，其特征在于，如果Uij(ω)大于Th(ω)，则该频率成份不属于集合Sj；反之，则该频率成份属于集合Sj；
在频率域中相关目标函数为：
式中，Sj为选定频率的集合，j表示检波器序号1,…,N。
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