CN112068194B - 微地震弱事件p波初至自动拾取方法和计算机存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微地震弱事件P波初至时间自动拾取方法及计算机存储介质。该方法利用两次矢段曲线偏振分析与旋转处理，从原始微地震三分量矢量波场中分离出P波数据，然后根据长短时窗能量比、一二级改进能量比，获得P波能量比特征系数事件，最后由能量比与特征系数，构建高信噪比P波初至自动拾取特征曲线，通过设定门槛值，就能自动搜索识别出微地震弱事件P波初至时间。本发明能够实现对微地震事件快速、准确地定位，整个定位过程简单便捷。

Description

微地震弱事件P波初至自动拾取方法和计算机存储介质

技术领域

本发明涉及微地震监测数据处理技术领域，尤其涉及一种微地震弱事件P波初至自动拾取方法和计算机存储介质。

背景技术

微地震监测数据处理重点在于事件的准确定位，影响因素主要包括速度模型建立、反演算法的适用性、正演算法的精度、初至拾取等方面。其中，纵、横波初至准确拾取是震源精确定位首要条件之一。井中微地震初至拾取方法，一般采用常规地震直达波初至拾取方法，其原理主要是根据有效波与噪声在能量、偏振特性以及其他一些统计特性上存在区别，获得稳定可靠的初至时间，如能量分析法、自回归AR模型法、偏振分析法等等。

每种类型方法都有各自算法特点，能量分析法是基于长短时窗能量比，当信号到达时,能量比变化快,相应的值会有一个明显的突跳，将该点时间定义为有效事件初至时间，但是信噪比较低情况容易出现误拾、漏拾；自回归AR模型法是基于信号与背景噪音属于不同AR模型，信号到达时AIC值极小值，但是不能直接判断是否是有效信号；偏振分析法是基于有效信号偏振度高、随机信号偏振度低，对应不同线性偏振系数曲线，但是该方法无法单独进行有效信号的检测。

由于在水力压裂裂缝过程中，监测到的微地震事件震相类型复杂，可能是P波、S波组合，也可能只产生单一的P波或S波，并且信号能量不等，甚至出现大量弱事件，而这些事件是压裂过程中裂缝发育真实反应。另外，受到外在地层因素、井周边环境影响及各类噪音的干扰，也使得微地震事件初至时间更难拾取。因此，如何从复杂的微地震监测数据记录中识别分离出更加准确、稳定的有效微地震事件初至，是亟须解决的技术问题。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种微地震弱事件P波初至自动拾取方法和计算机存储介质。

所述微地震弱事件P波初至自动拾取方法主要包括以下步骤：

S100，针对微地震P波信号，通过两次矢端曲线偏振分析与旋转处理，从原始微地震三分量矢量波场中分解出沿波传播方向P波分量；

S200，根据所述P波分量，计算P波长短时窗能量比；

S300，根据所述P波长短时窗能量比，通过引入P波分量的振幅作为权重系数，计算一级改进能量比和二级改进能量比；

S400，根据所述P波长短时窗能量比、一级改进能量比和二级改进能量比，确定P波能量比特征系数；

S500，根据所述P波长短时窗能量比和P波能量比特征系数，构建P波初至拾取特征曲线；

S600，根据给定的P波初至识别门槛值，在P波初至拾取特征曲线上自动搜索大于P波初至识别门槛值的区域的最大峰值，拾取所述最大峰值对应的时间样点作为微地震弱事件P波初至时间。

根据本发明的实施例，上述步骤S100包括以下步骤：

S111，针对微地震P波信号，通过矢端曲线分析，对原始微地震三分量中的X分量和Y分量进行偏振分析与旋转处理，获得波传播径向分量R和切向分量T；

S112，再通过矢端曲线分析，对波传播径向分量R和原始微地震三分量中的Z分量进行偏振分析与旋转处理，获得沿波传播方向P波分量和垂直传播方向N分量。

根据本发明的实施例，在上述步骤S200中，按照下式计算P波长短时窗能量比：

其中，ER_Pi为时间样点i对应的P波长短时窗能量比，P_i为时间样点i对应的P波分量，L₁和L₂分别为给定的长时窗和短时窗。

根据本发明的实施例，在上述步骤S300中，按照下式计算一级改进能量比MER1_Pi和二级改进能量比MER2_Pi：

MER1_Pi＝ER_Pi·|P_i|

MER2_Pi＝ER_Pi ²·|P_i|²。

其中，|P_i|为时间样点i对应的P波分量的振幅。

根据本发明的实施例，在上述步骤S400中，按照下式计算P波能量比特征系数AA_Pi、BB_Pi、CC_Pi：

根据本发明的实施例，在上述步骤S500中,根据所述P波长短时窗能量比ER_Pi和P波能量比特征系数AA_Pi、BB_Pi、CC_Pi，构建以下P波初至拾取特征曲线TER_Pi：

TER_Pi＝ER_Pi*(AA_Pi*BB_Pi*CC_Pi)。

根据本发明的实施例，上述步骤600包括以下步骤：

S610，设置P波初至识别门槛值K_P，搜索所述P波初至拾取特征曲线TER_Pi上大于等于P波初至识别门槛值K_P时对应的时间样点的位置T_KP，其中：

当i＜T_KP时TER_Pi＜K_P，

当i＝T_KP时TER_Pi≥K_P；

S620，设置初至搜索时窗的大小W_P，搜索在初至搜索时窗[T_KP,T_KP+W_P]内P波初至拾取特征曲线TER_Pi的最大峰值F_P：

F_P＝max{TER_Pi}且i∈[T_KP,T_KP+W_P]

S630，将搜索出的最大峰值F_P所对应的时间样点t_P作为微地震弱事件P波初至时间。

根据本发明的实施例，在上述步骤S610中，所述P波初至识别门槛值K_P通过基于已知射孔或者选择一个微地震事件进行试算来确定。

根据本发明的实施例，在上述步骤S620中，所述初至搜索时窗的大小W_P K_P通过基于已知射孔或者选择一个微地震事件进行试算来确定。

具体地，所述初至搜索时窗的大小W_P设置原则：根据已知射孔或者选择一个微地震事件进行试算，由于射孔或选择的事件P波初至已知，找出对应P波初至拾取特征曲线TER_Pi所对应的峰值，包含该初至时间峰值存在一个脉冲，计算该脉冲样点总长度，即为时窗W_P的大小。

此外，本发明还提供一种计算机存储介质，其特征在于，其中存储有用于实现上述方法的计算机程序。

与现有技术相比，本发明的一个或多个实施例可以具有如下优点：

本发明提供了一种新的微地震弱事件P波初至时间自动拾取方法，利用两次矢段曲线偏振分析与旋转处理，从原始微地震三分量矢量波场中分离出P波数据，然后根据长短时窗能量比、一二级改进能量比，获得P波能量比特征系数事件，最后由能量比与特征系数，构建高信噪比P波初至自动拾取特征曲线，通过设定门槛值，就能自动搜索识别出微地震弱事件P波初至时间。本发明能够实现对微地震事件快速、准确地定位，整个定位过程简单便捷。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明实施例一的微地震弱事件P波初至自动拾取方法的工作流程图；

图2是本发明实施例二的微地震射孔三分量数据：(a)Z分量；(b)X分量；(c)Y分量；

图3是本发明实施例二的微地震射孔三分量数据矢量分解出沿传播方向P波分量；

图4是本发明实施例二的射孔P波分量数据能量比：(a)长短时窗能量比；(b)一级改进能量比；(c)二级改进能量比；

图5是本发明实施例二的射孔P波分量数据能量比特征系数：(a)长短时窗能量比特征系数；(b)一级改进能量比特征系数；(c)二级改进能量比特征系数；

图6是本发明实施例二的射孔P波初至拾取特征曲线；

图7是本发明实施例三的微地震事件三分量数据：(a)Z分量；(b)X分量；(c)Y分量；

图8是本发明实施例三的微地震事件三分量数据矢量分解出沿传播方向P波分量；

图9是本发明实施例三的事件P波分量数据能量比：(a)长短时窗能量比；(b)一级改进能量比；(c)二级改进能量比；

图10是本发明实施例三的事件P波分量数据能量比特征系数：(a)长短时窗能量比特征系数；(b)一级改进能量比特征系数；(c)二级改进能量比特征系数；

图11是本发明实施例三的事件P波初至拾取特征曲线。

具体实施方式

微地震事件初至时间准确识别是震源精确定位前提。目前常用的长短时窗能量比法容易受背景噪音干扰，使得相位初至拾取不稳定，出现了同一事件相邻检波器初至拾取时间值波动较大，特别是弱P波和低频S波微地震事件。为了解决这一难题，尽可能地突出微地震弱事件P波初至起跳位置，本发明提出通过矢量分解、长短时窗能量比与改进能量比法构建高信噪比特征曲线来实现初至准确的自动拾取。

为此，本发明提供了一种基于矢量波场分离的微地震弱事件P波初至自动拾取方法。该方法主要包含以下三个步骤：

第一步，针对微地震P波信号，通过矢端曲线分析，对微地震三分量中的X、Y分量数据进行偏振分析与旋转处理，分别获得波传播径向分量R与切向分量T，再对R分量与原始Z分量数据进行偏振分析与旋转处理，分别获得沿波传播方向P波分量、垂直传播方向N分量；

第二步，根据第一步从矢量波场分离出的P波分量数据，计算长短时窗能量比ER_Pi，同时将P波分量数据的振幅作为权重系数引入，计算一级改进能量比MER1_Pi＝ER_Pi·|P_i|、二级改进能量比

再进一步获得对应的P波能量比特征系数

第三步，根据第二步长短时窗能量比ER_Pi与三个P波能量比特征系数，构建高信噪比P波初至拾取特征曲线TER_Pi＝ER_Pi*(AA_Pi*BB_Pi*CC_Pi)，设置P波初至识别门槛值，自动搜索P波初至拾取特征曲线TER_Pi大于P波初至识别门槛值的极值，其对应的时间，即为所求的微地震弱事件P波初至时间t_P。

下面结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

实施例一

图1为本发明实施例一的方法流程图。

首先，针对微地震P波信号，优选采用已知的矢端曲线分析法，对原始微地震三分量中的X分量、Y分量进行偏振分析，获得水平方位角α，再对原始X分量、Y分量数据进行旋转处理，获得水平径向分量R、水平切向分量T：

其中，i为时间样点，X_i、Y_i分别为原始X分量、Y分量瞬时振幅，R_i、T_i分别为旋转后水平径向分量R、水平切向分量T瞬时振幅。

同样地，针对微地震P波信号，对水平径向分量R和原始微地震三分量中的Z分量进行偏振分析，获得垂向偏振角β，再对水平径向分量R和原始Z分量作旋转处理，获得沿传播方向P波分量与垂直传播方向N分量：

其中，Z_i为原始Z分量瞬时振幅，P_i、N_i分别为旋转后沿传播方向P波分量、垂直传播方向N分量瞬时振幅。

从物理意义上，经过两次偏振分析与旋转后，沿波传播方向的P波分量主要包含了震相P波微地震数据，实际上是原始三分量中P波数据的矢量求和，即实现了从原始微地震三分量X分量、Y分量、Z分量数据中矢量分解出微地震事件P波数据。

然后，根据从矢量波场分离出的P波分量数据，计算长短时窗能量比ER_Pi：定义长时窗L₁、短时窗L₂，对式(2)中P波分量数据进行能量比计算：

其中，ER_Pi为时间样点i对应的P波长短时窗能量比。

接着，将P波分量振幅作为权系数引入，计算一级改进能量比MER1_Pi、二级改进能量比MER2_Pi：

MER1_Pi＝ER_Pi·|P_i| (4)

MER2_Pi＝ER_Pi ²·P_i ² (5)

根据上述三个能量比ER_Pi、MER1_Pi、MER2_Pi，分别计算出P波能量比特征系数AA_Pi、BB_Pi、CC_Pi：

最后，根据长短时窗能量比ER_Pi和特征系数AA_Pi、BB_Pi、CC_Pi，构建本发明P波初至自动拾取特征曲线TER_Pi：

TER_Pi＝ER_Pi*(AA_Pi*BB_Pi*CC_Pi) (9)

设定P波初至识别门槛值K_P，搜索P波特征曲线TER_Pi大于P波初至识别门槛值时对应的时间样点位置T_KP，即出现以下判断标准：

当i＜T_KP且TER_Pi＜K_P (10)

当i＝T_KP且TER_Pi≥K_P (11)

再定义初至搜索时窗大小W_P，找出时窗[T_KP,T_KP+W_P]内P波初至自动拾取特征曲线TER_Pi的最大峰值F_P：

F_P＝max{TER_Pi}且i∈[T_KP,T_KP+W_P] (12)

将搜索出的最大峰值F_P对应的时间样点t_P输出，即实现微地震弱事件P波初至时间自动拾取。

实施例二

在本实施例中，结合微地震实际射孔来说明应用本发明的P波初至自动拾取过程。

在实际应用中，由射枪产生的微地震射孔信号，往往是用来标定检波器方位的，同时也是压裂沿井筒向外施压的开始端。一个微地震射孔数据，对应一个P波信号，采用本发明提出的方法自动地识别出单个事件P波初至：

首先，根据图1所示的流程，对图2所示的射孔原始三分量数据开展矢量分解，即通过式(1)、(2)，进行两两分量偏振分析和旋转处理，获得射孔沿传播方向、达到三分量检波器之前的P波分量，如图3所示，在能量上，它是原始三分量P波矢量求和，并且主要包含P波信号、基本无S波。

然后，根据式(3)～(5)，分别计算长短时窗能量比、一级改进能量比、二级改进能量比(如图4所示)，同时根据式(6)～(8)，进一步计算出相应的本发明提出的能量比特征系数(如图5所示)。

最后，利用长短时窗能量比、能量比特征系数，根据式(9)，构建P波初至特征曲线(如图6所示)。由此可以看出，给一个较小的门槛值，就能快速地识别出一个峰值，其对应时间就是射孔P波初至时间。

实施例三

在本实施例中，结合微地震事件资料来说明应用本发明的P波初至自动拾取过程。

在实际应用时，微地震事件数据可能包含多个P波，能量有强有弱。同样，首先根据图1所示的流程，对图7所示的事件原始三分量数据进行矢量分解，分理出仅仅只包含P波信号单分量(如图8所示)。然后，计算事件长短时窗能量比、一级改进能量比、二级改进能量比(如图9所示)以及相应的特征系数(如图10所示)。最后，由长短时窗能量比、特征系数，构建P波初至拾取特征曲线，如图11所示，如果门槛值设为3，就能够自动拾取5个P波初至，其中包括了弱事件P波初至，如此实现了多个事件P波初至自动拾取。

上述几个实施例充分说明了，与传统长短时窗能量比法进行比较，利用本发明的P波初至自动拾取方法能够获得高信噪比“尖脉冲”识别P波特征曲线，保证了弱事件P波识别与初至自动拾取，具有较好的实用性。

此外，本发明还提供一种计算机存储介质，其特征在于，其中存储有用于实现上述方法的计算机程序。

应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定处理步骤或材料，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。

说明书中提到的“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“实施例”并不一定均指同一个实施例。

本领域的技术人员应该明白，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。本领域的技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储介质(RAM)、内存、只读存储介质(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (8)

1.一种微地震弱事件P波初至自动拾取方法，其特征在于，包括以下步骤：

S100，针对微地震P波信号，从原始微地震三分量矢量波场中分解出沿波传播方向P波分量；

S200，根据所述P波分量，计算P波长短时窗能量比；

S300，根据所述P波长短时窗能量比，通过引入P波分量的振幅作为权重系数，计算一级改进能量比和二级改进能量比；

S400，根据所述P波长短时窗能量比、一级改进能量比和二级改进能量比，确定P波能量比特征系数，所述根据所述P波长短时窗能量比、一级改进能量比和二级改进能量比，确定P波能量比特征系数所采用的公式为：

其中，AA_Pi、BB_Pi、CC_Pi为P波能量比特征系数，ER_Pi为时间样点i对应的P波长短时窗能量比，MER1_Pi为一级改进能量比，MER2_Pi为二级改进能量比：

S500，根据所述P波长短时窗能量比和P波能量比特征系数，构建P波初至拾取特征曲线，所述根据所述P波长短时窗能量比和P波能量比特征系数，构建P波初至拾取特征曲线的公式为：

TER_Pi＝ER_Pi*(AA_Pi*BB_Pi*CC_Pi)，

其中，TER_Pi为P波初至拾取特征曲线；

S600，根据给定的P波初至识别门槛值，在P波初至拾取特征曲线上自动搜索大于等于P波初至识别门槛值的区域的最大峰值，拾取所述最大峰值对应的时间样点作为微地震弱事件P波初至时间。

2.如权利要求1所述的微地震弱事件P波初至自动拾取方法，其特征在于，所述步骤S100包括以下步骤：

S111，针对微地震P波信号，通过矢端曲线分析，对原始微地震三分量中的X分量和Y分量进行偏振分析与旋转处理，获得波传播径向分量R和切向分量T；

S112，再通过矢端曲线分析，对波传播径向分量R和原始微地震三分量中的Z分量进行偏振分析与旋转处理，获得沿波传播方向P波分量和垂直传播方向N分量。

3.如权利要求2所述的微地震弱事件P波初至自动拾取方法，其特征在于：在所述步骤S200中，按照下式计算P波长短时窗能量比：

其中，ER_Pi为时间样点i对应的P波长短时窗能量比，P_i为时间样点i对应的P波分量，L₁和L₂分别为给定的长时窗和短时窗。

4.如权利要求3所述的微地震弱事件P波初至自动拾取方法，其特征在于：在所述步骤S300中，按照下式计算一级改进能量比MER1_Pi和二级改进能量比MER2_Pi：

MER1_Pi＝ER_Pi·|P_i|

MER2_Pi＝ER_Pi ²·|P_i|²

其中，|P_i|为时间样点i对应的P波分量的振幅。

5.如权利要求2所述的微地震弱事件P波初至自动拾取方法，其特征在于，所述步骤600包括以下步骤：

S610，设置P波初至识别门槛值K_P，搜索所述P波初至拾取特征曲线TER_Pi上大于等于P波初至识别门槛值K_P时对应的时间样点的位置T_KP，其中：

当i<T_KP时TER_Pi<K_P，

当i＝T_KP时TER_Pi≥K_P；

S620，设置初至搜索时窗的大小W_P，搜索在初至搜索时窗[T_KP,T_KP+W_P]内P波初至拾取特征曲线TER_Pi的最大峰值F_P：

F_P＝max{TER_Pi}且i∈[T_KP,T_KP+W_P]

S630，将搜索出的最大峰值F_P所对应的时间样点t_P作为微地震弱事件P波初至时间。

6.如权利要求5所述的微地震弱事件P波初至自动拾取方法，其特征在于：在所述步骤S610中，所述P波初至识别门槛值K_P根据已知射孔或者选择一个微地震事件进行试算来确定。

7.如权利要求5所述的微地震弱事件P波初至自动拾取方法，其特征在于：在所述步骤S620中，所述初至搜索时窗的大小W_P通过根据已知射孔或者选择一个微地震事件进行试算来确定。

8.一种计算机存储介质，其特征在于，其中存储有用于实现如权利要求1至7中任意一项所述方法的计算机程序。

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