CN112068204B - 一种远距离井中微地震监测定位方法和计算机存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种远距离井中微地震监测定位方法和计算机存储介质。该方法主要包括以下步骤：建立自变量为纵横波走时时差的径向定位目标函数和深度定位目标函数；根据拾取的微地震事件纵横波走时时差，通过所述径向定位目标函数和深度定位目标函数，计算出微地震事件初始定位径向位置和深度位置，作为微地震事件初始定位结果；以所述微地震事件初始定位结果为空间位置中心，围绕所述空间位置中心在指定空间范围内建立网格，通过网格搜索法在所述网格内找到比所述微地震事件初始定位结果更精确的微地震事件最终定位结果。

Description

一种远距离井中微地震监测定位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，尤其涉及一种远距离井中微地震监测定位方法和计算机存储介质。

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，由于井中微地震检波器个数有限(一般12～32级三分量井中检波器)，导致监测范围较小，同时对监测井与观测井选井有一定要求，比如国际上监测井压裂段到观测井检波器径向最优距离在200～800米，但是实际距离往往比较大，这些通常会导致出现不稳定、精度不高等微地震定位现象。

目前，井中微地震定位方法主要有：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，缺点是微地震事件P波、S波走时难以精确拾取，影响定位结果；二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、检波器个数要求较多数量，计算成本高；三是各向异性与各向同性走时计算区别，在各向异性介质中，用各向同性走时计算误差较大，相应定位误差亦较大。

以上常规定位方法中，无论是哪种方法，都限制于合理的的监测井压裂段到观测井检波器距离，但是在实际压裂中，往往只能选择距离较大的观测井。由于距离过大，检波器接收到的纵横波走时曲线化减弱而线性化较强，用常规定位方法已经不能满足定位需求。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种远距离井中微地震监测定位方法，包括以下步骤：

S100，建立自变量为纵横波走时时差的径向定位目标函数和深度定位目标函数；

S200，将拾取的微地震事件纵横波走时时差代入所述径向定位目标函数和深度定位目标函数，计算出微地震事件初始定位径向位置和深度位置，作为微地震事件初始定位结果；

S300，以所述微地震事件初始定位结果为空间位置中心，围绕所述空间位置中心在指定空间范围内建立网格，通过网格搜索法在所述网格内找到比所述微地震事件初始定位结果更精确的微地震事件最终定位结果。

根据本发明的实施例，上述步骤S100包括以下步骤：

S110，拾取射孔信号纵横波走时并计算射孔信号纵横波走时时差；

S120，以射孔信号纵横波走时时差为自变量，通过对已知射孔径向位置进行拟合来建立径向定位目标函数；

S130，以射孔信号纵横波走时时差为自变量，通过对已知射孔深度位置进行拟合来建立深度定位目标函数。

根据本发明的实施例，上述步骤S110中，拾取射孔信号纵横波走时T_shoot,P,m,n、T_shoot,S,m,n，根据下式计算射孔信号纵横波走时时差：

其中，m为射孔序号，总共有M个射孔，n为检波器序号，总共有N个检波器。

根据本发明的实施例，上述步骤S120和S130中，所述拟合为线性拟合。

根据本发明的实施例，上述步骤S120中，建立的径向定位目标函数为：

OPJ_L(T_shoot,PS,m)＝L_shoot,m＝A_L*T_shoot,PS,m+B_L

其中，L_shoot,m为已知射孔径向位置，A_L和B_L为径向定位目标函数的系数；

根据本发明的实施例，上述步骤S130中，建立的深度定位目标函数为：

OPJ_Z(T_shoot,PS,m)＝Z_shoot,m＝A_Z*T_shoot,PS,m+B_Z

其中，Z_shoot,m为已知射孔深度位置，A_Z和B_Z为深度定位目标函数的系数。

根据本发明的实施例，在上述步骤S120和S30中，在进行线性拟合时，利用最小二乘法确定径向定位目标函数和深度定位目标函数的系数。

根据本发明的实施例，上述步骤S300包括以下步骤：

S310，以所述微地震事件初始定位结果作为空间位置中心，围绕所述空间位置中心在指定空间范围内建立网格；

S320，基于已知测井数据，正演出从每个网格点位置到检波器纵横波走时时差；

S330，对正演的从每个网格点位置到检波器纵横波走时时差与拾取的微地震事件纵横波走时时差进行比较，计算它们之间的误差，从其中搜索出误差最小时所对应的网格点位置，作为微地震事件最终定位结果。

根据本发明的实施例，上述步骤S320具体为，假设每个网格点位置有一个震源，基于已知测井数据，根据Snell定律开展射线追踪正演，计算出从每个网格点位置震源到检波器纵横波走时时差。

根据本发明的实施例，上述网格为矩形网格。

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远距离井中微地震监测定位方法的计算机程序。

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：

本文发明提供了一种基于纵横波走时时差线性拟合的远距离井中微地震监测的事件定位方法，实现该方法包含以下三个步骤：第一步是建立自变量为纵横波走时时差的径向定位目标函数OPJ_L、深度定位目标函数OPJ_Z，它们是通过射孔信号纵横波走时时差分别与射孔径向、深度进行线性拟合而成；第二步是输入拾取的微地震事件纵横波走时时差，通过定位目标函数OPJ_L、OPJ_Z，计算出微地震事件初始定位结果RT_event＝{L_event,Z_event}；第三步是利用较小范围网格搜索法，搜索出微地震事件最终定位结果RT^* _event＝{L^* _event,Z^* _event}，即：以第二步微地震事件初始定位结果作为空间位置中心，建立较小范围网格，根据射线追踪算法，正演出每个网格点位置{L_i,Z_j}纵横波达到检波器时走时时差T_PS,i,j，同时比较微地震事件纵横波走时时差观测值T_PS,0，比较两者误差Δ＝|T_PS,i,j-T_event,PS|，搜索出误差最小时对应的网格点，即为微地震事件最终定位结果RT^* _event＝{L^* _event,Z^* _event}。

当压裂段距离监测井较远时，检波器接收到的射孔信号纵横波走时时差呈现出线性化的特点，本发明利用这一特点，建立定位目标方程，输入微地震事件纵横波走时时差，获得微地震事件初始定位结果，再利用网格搜索法，在较小范围内，进一步获得精度更高的微地震事件定位结果。本发明实现微地震事件快速、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定位方法的工作流程图；

图2是本发明实施例二的井中微地震观测系统侧视图：射孔位置◆、检波器位置▲；

图3是本发明实施例二的井中微地震事件设计侧视图：事件位置●；

图4是本发明实施例二的射孔纵横波走时时差随射孔径向位置线性拟合图；

图5是本发明实施例二的射孔纵横波走时时差随射孔深度位置线性拟合图；

图6是本发明实施例二的利用本发明的定位方法获得的定位结果与微地震事件真实位置的侧视图：利用本发明的定位方法获得的定位结果

图7是本发明实施例二的事件定位误差统计结果表。

具体实施方式

已知当监测井压裂段距离观测井检波器位置较远时，检波器接收到的射孔信号纵横波走时时差会呈现出线性化的特征。本发明利用这一特点，建立定位目标方程，根据拾取的微地震事件纵横波走时时差，获得微地震事件初始定位结果，再利用网格搜索法，基于微地震事件初始定位结果，在较小范围网格内进一步获得精度更高的微地震事件最终定位结果。

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基于纵横波走时线性拟合的定位方法的工作流程图。

为了确保远距离监测井中微地震事件定位的精度与稳定性，本实施例提供的定位方法主要包含以下三个步骤：

第一步是建立自变量为纵横波走时时差的径向定位目标函数OPJ_L、深度定位目标函数OPJ_Z，它们是通过射孔信号纵横波走时时差分别与射孔径向、深度进行线性拟合而成；

第二步是输入拾取的微地震事件纵横波走时时差，通过定位目标函数OPJ_L、OPJ_Z，计算出微地震事件初始定位结果RT_event＝{L_event,Z_event}；

第三步是利用较小范围网格搜索法，搜索出微地震事件最终定位结果RT^* _event＝{L^* _event,Z^* _event}，即：以第二步微地震事件初始定位结果作为空间位置中心，建立较小范围网格，根据射线追踪算法，正演出每个网格点位置{L_i,Z_j}纵横波达到检波器时走时时差T_PS,i,j，同时比较微地震事件纵横波走时时差观测值T_PS,0，比较两者误差Δ＝|T_PS,i,j-T_event,PS|，搜索出误差最小时对应的网格点，该网格点位置即为微地震事件最终定位结果RT^* _event＝{L^* _event,Z^* _event}。

下面具体介绍各个步骤。

首先，由已知射孔纵横波走时与已知射孔空间位置，以射孔纵横波走时时差为自变量，以射孔径向位置、深度位置为未知量，分别线性拟合出径向定位目标函数OPJ_L、深度定位目标函数OPJ_Z：

拾取射孔信号纵横波走时T_shoot,P,m,n、T_shoot,S,m,n，计算走时时差：

其中m(m＝1,M)代表射孔序号、总共有M个射孔，n(n＝1,N)代表检波器序号、总共有N个检波器，T_shoot,PS,m为统计出的第m个射孔纵横波走时时差。

由于监测井与观测井距离较远，M个射孔纵横波走时时差呈现出高度线性化特点因此，将射孔纵横波走时时差T_shoot,PS,m作为自变量，开展已知射孔径向位置L_shoot,m、射孔深度位置Z_shoot,m对T_shoot,PS,m线性拟合，分别如下式：

OPJ_L(T_shoot,PS,m)＝L_shoot,m＝A_L*T_shoot,PS,m+B_L(m＝1,M) (2)

OPJ_Z(T_shoot,PS,m)＝Z_shoot,m＝A_Z*T_shoot,PS,m+B_Z(m＝1,M) (3)

其中OPJ_L、OPJ_Z分别为径向定位目标函数、深度定位目标函数。

优选地，根据最小二乘法，分别计算出上述式(2)、式(3)线性系数：

然后，输入拾取的微地震事件纵横波走时，计算两者时差T_event,PS，将其分别代入径向定位目标函数OPJ_L、深度定位目标函数OPJ_Z，获得微地震事件初始定位结果RT_event＝{L_event,Z_event}：

拾取微地震事件纵横波走时T_event,P,n、T_event,S,n，计算事件纵横波时差：

其中n(n＝1,N)代表检波器序号、总共有N个检波器，T_event,PS为统计出的事件纵横波走时时差。

将式(6)事件纵横波走时时差T_event,PS分别代入式(2)、式(3)相应的目标函数OPJ_L、OPJ_Z，计算出微地震事件初始定位结果：

OPJ_L(T_event,PS)＝L_event＝A_L*T_event,PS+B_L (7)

OPJ_Z(T_event,PS)＝Z_event＝A_Z*T_event,PS+B_Z (8)

其中线性系数由式(5)、式(6)计算获得，L_event、Z_event分别为微地震事件初始定位径向位置、深度位置。

最后，通过网格搜索法，以此获得更高精度的微地震事件定位结果：

以式(7)、式(8)获得的微地震事件初始定位结果为中心，建立一个矩形网格：

L_i∈(L_event-ΔL,L_event+ΔL)，设计矩形网格长度

Z_j∈(Z_event-ΔZ,Z_event+ΔZ)，设计矩形网格宽度

其中L_i、Z_j为网格点(i,j)对应的径向位置、深度位置，ΔL、ΔZ为矩形网格大小。

为了快速实现事件再定位，该矩形网格设计的比较小，一般要求ΔL小于25米、ΔZ小于15米。针对每个网格点(i,j)，假设放置一个震源，利用Snell定律，开展射线追踪正演，根据已知声波测井和检波器空间位置，计算震源点到检波器纵横波走时时差T_PS,i,j。

同时，将正演出的纵横波时差T_PS,i,j与微地震事件纵横波走时时差实际观测值T_event,PS进行比较，计算两者误差Δ＝|T_PS,i,j-T_event,PS|。寻找矩形网格(i,j)范围内，误差Δ最小时对应的网格点L^* _event、Z^* _event，即为最终所求微地震事件定位结果RT^* _event＝{L^* _event,Z^* _event}。

实施例二

下面用井中微地震模型数据来验证本发明微地震事件定位准确性。

以某次井中微地震观测为例进行说明：

16级井下检波器监测微地震信号、11个已知射孔信号与27个事件信号，其观测系统径向、深度坐标几何关系如图2、图3所示，即：11个射孔延直线排布且距离检波器径向距离较远(2000米左右)，27个事件分布在射孔附近，该系统属于典型的远距离井中微地震监测。本发明举例之前，利用已有高精度射线追踪算法，根据图2、图3所示，正演出每个射孔和事件到达检波器的纵横波走时，作为已知真实观测值。(注：本实施例不考虑横向变化速度影响，仅是二维模型，另外，通过声波测井提供纵横波垂向速度，作为已知测井数据)

按照图1所示的流程，首先，根据式(1)，获得11个射孔纵横波走时时差。再根据11个射孔径向位置、深度位置，分别与其纵横波走时时差，开展线性拟合(式(2)、(3))，如图4、图5。通过最小二乘法，计算出线性系数(式(4)、(5))，具体拟合式如下：

OPJ_L(T_PS)＝L＝396.66*T_PS-704.2 (9)

OPJ_Z(T_PS)＝Z＝39.666*T_PS+1099.6 (10)

其中式(9)、(10)亦是微地震事件定位式(7)、(8)具体表达式。

然后，拾取的微地震事件纵横波走时T_event,P、T_event,S，计算两者时差T_event,PS，将其分别代入径向定位目标函数OPJ_L(具体是式(9))、深度定位目标函数OPJ_Z(具体是式(10))，获得微地震事件初始定位结果RT_event＝{L_event,Z_event}。

最后，以微地震事件初始径向结果L_event、初始深度结果Z_event为中心，建立较小范围网格(具体网格大小为：径向+/-5米，深度+/-15米)，实现快速再定位。根据已知声波测井，通过射线追踪算法，正演出每个网格点位置{L_i,Z_j}达到检波器时纵横波走时时差T_PS,i,j，并将其与微地震事件纵横波走时时差观测值T_event,PS进行比较，寻找网格范围内，两者误差Δ＝|T_PS,i,j-T_event,PS|最小时对应的网格点位置L^* _event、Z^* _event，即为微地震事件最终定位结果RT^* _event＝{L^* _event,Z^* _event}，如图6所示。可以看出，微地震事件定位结果径向误差控制在1米以内、深度误差控制在5米以内(如图7所示)，这充分证明了利用本发明提供的定位方法获得的井中微地震定位结果具有较高的定位精度。

实施例三

进一步地，本发明还提供一种计算机存储介质和一种计算机系统。在所述计算机存储介质中存储有用于实现上述方法的计算机程序。所述计算机系统包括处理器和计算机存储介质，其中处理器用于执行在所述计算机存储介质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)

1.一种远距离井中微地震监测定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

S100，建立自变量为纵横波走时时差的径向定位目标函数和深度定位目标函数，所述步骤S100包括以下步骤：

S110，拾取射孔信号纵横波走时并计算射孔信号纵横波走时时差；

S120，以射孔信号纵横波走时时差为自变量，通过对已知射孔径向位置进行拟合来建立径向定位目标函数；

S130，以射孔信号纵横波走时时差为自变量，通过对已知射孔深度位置进行拟合来建立深度定位目标函数，所述步骤S120中，建立的径向定位目标函数为：

OPJ_L(T_shoot,PS,m)＝L_shoot,m＝A_L*T_shoot,PS,m+B_L

其中，L_shoot,m为已知射孔径向位置，A_L和B_L为径向定位目标函数的系数；

所述步骤S130中，建立的深度定位目标函数为：

OPJ_Z(T_shoot,PS,m)＝Z_shoot,m＝A_Z*T_shoot,PS,m+B_Z

其中，Z_shoot,m为已知射孔深度位置，A_Z和B_Z为深度定位目标函数的系数；

S200，将拾取的微地震事件纵横波走时时差代入所述径向定位目标函数和深度定位目标函数，计算出微地震事件初始定位径向位置和深度位置，作为微地震事件初始定位结果；

S300，以所述微地震事件初始定位结果为空间位置中心，围绕所述空间位置中心在指定空间范围内建立网格，通过网格搜索法在所述网格内找到比所述微地震事件初始定位结果更精确的微地震事件最终定位结果。

2.如权利要求1所述的远距离井中微地震监测定位方法，其特征在于，所述步骤S110中，拾取射孔信号纵横波走时T_shoot,P,m,n、T_shoot,S,m,n，根据下式计算射孔信号纵横波走时时差：

其中，m为射孔序号，总共有M个射孔，n为检波器序号，总共有N个检波器。

3.如权利要求2所述的远距离井中微地震监测定位方法，其特征在于，所述步骤S120和S130中，所述拟合为线性拟合。

4.如权利要求1所述的远距离井中微地震监测定位方法，其特征在于，在所述步骤S120和S30中，在进行线性拟合时，利用最小二乘法确定径向定位目标函数和深度定位目标函数的系数。

5.如权利要求1所述的远距离井中微地震监测定位方法，其特征在于，所述步骤S300包括以下步骤：

S310，以所述微地震事件初始定位结果作为空间位置中心，围绕所述空间位置中心在指定空间范围内建立网格；

S320，基于已知测井数据，正演出从每个网格点位置到检波器纵横波走时时差；

S330，将正演的从每个网格点位置到检波器纵横波走时时差与拾取的微地震事件纵横波走时时差进行比较，计算它们之间的误差，从其中搜索出误差最小时所对应的网格点位置，作为微地震事件最终定位结果。

6.如权利要求1所述的远距离井中微地震监测定位方法，其特征在于，所述步骤S320具体为，假设每个网格点位置有一个震源，基于已知测井数据，根据Snell定律开展射线追踪正演，计算出从每个网格点位置震源到检波器纵横波走时时差。

7.如权利要求1至6中任意一项所述的远距离井中微地震监测定位方法，其特征在于：

所述网格为矩形网格。

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中任意一项所述的远距离井中微地震监测定位方法的计算机程序。

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