CN112068205B - 满覆盖井地联合监测的微地震事件快速定位方法 - Google Patents

满覆盖井地联合监测的微地震事件快速定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种满覆盖井地联合监测的微地震事件快速定位方法和计算机存储介质。该方法包括以下步骤：通过对地面监测的微地震P波信号进行处理，获得地面微地震P波信号随检波器走时，通过对其中若干个走时进行拟合，建立微地震事件径向定位函数；通过求解微地震事件径向定位函数的极值点，确定微地震事件水平径向位置；通过对井中监测的微地震S波信号进行处理，获得井中微地震S波信号随检波器走时，通过对其中若干个走时进行拟合，建立微地震事件深度定位函数；通过求解微地震事件深度定位函数的极值点，确定微地震事件垂向深度位置；根据微地震事件水平径向位置和垂向深度位置对所述微地震事件进行定位。

Description

满覆盖井地联合监测的微地震事件快速定位方法
技术领域
本发明涉及微地震监测数据处理技术领域，尤其涉及一种基于三分量检波器满覆盖井地联合监测的微地震事件快速定位方法和计算机存储介质。
背景技术
微地震监测主要分为地面微地震与井中微地震。地面微地震特点是，采用常规地面检波器，对微地震信号进行采集，其采集方式类似于井中地震VSP。地面微地震检波器个数多，具有多种排列分布，能够充分采集微地震信号，但是由于地下震源与检波器距离较远，接收到的微地震信号较弱，因而地面微地震定位具有较稳定但深度精度不够高等特点。而井中微地震特点是井下三分量检波器放置在观测井段，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，因而井中微地震定位方法容易出现径向不稳定微地震定位结果。
目前，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。
针对在非常规致密砂岩气、页岩气藏储层压裂微地震开发中，由于地层存在非均质性、地质构造复杂，无论是单一井中微地震还是地面微地震，都不能同时保证微地震事件径向、深度两个方向兼顾高精度定位。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提出了一种基于三分量检波器满覆盖井地联合监测的微地震事件快速定位方法，其主要包括以下步骤：
S110，通过对地面监测的微地震P波信号进行处理，获得地面微地震P波信号随检波器走时，通过对其中若干个走时进行拟合，建立微地震事件径向定位函数；
S120，通过求解微地震事件径向定位函数的极值点，确定微地震事件水平径向位置；
S210，通过对井中监测的微地震S波信号进行处理，获得井中微地震S波信号随检波器走时，通过对其中若干个走时进行拟合，建立微地震事件深度定位函数；
S220，通过求解微地震事件深度定位函数的极值点，确定微地震事件垂向深度位置；
S300，根据微地震事件水平径向位置和垂向深度位置对所述微地震事件进行定位。
根据本发明的一个实施例，上述步骤S110主要包括以下步骤：
S111，利用地面三分量检波器监测微地震P波信号；
S112，对所述微地震P波信号进行三分量矢量处理，以获得沿传播方向且能量最强的地面微地震P波数据；
S113，拾取所述地面微地震P波数据中事件初至时间，从所述事件初至时间中确定若干个最小初至时间，并确定相应地面检波器的径向位置；
S114，通过对所述若干个最小初至时间和相应地面检波器的径向位置开展拟合，建立随P波初至变化的微地震事件径向定位函数。
根据本发明的一个实施例，在所述步骤S112中，对所述微地震P波信号进行三分量矢量处理包括对所述微地震P波信号进行偏振分析、旋转和矢量分解。
根据本发明的一个实施例，在所述步骤S113中，拾取所述地面微地震P波数据中事件初至时间为拾取所述地面微地震P波数据中P波信号最大振幅值所对应的时间。
根据本发明的一个实施例，在所述步骤S113中，所述若干个最小初至时间为三个最小初至时间；在所述步骤S114中，通过对所述三个最小初至时间和相应地面检波器的径向位置开展一元二次多项式拟合，建立随P波初至变化的微地震事件径向定位函数。
根据本发明的一个实施例，上述步骤S210主要包括以下步骤：
S211，利用井中三分量检波器监测微地震S波信号；
S212，对所述微地震S波信号进行三分量矢量处理，以获得沿垂直传播方向且能量最强的井中微地震S波数据；
S213，拾取所述井中微地震S波数据中事件初至时间，从所述事件初至时间中确定若干个最小初至时间，并确定相应井中检波器的深度位置；
S214，通过对所述若干个最小初至时间和相应井中检波器的深度位置开展拟合，建立随S波初至变化的微地震事件深度定位函数。
根据本发明的一个实施例，在所述步骤S212中，对所述微地震S波信号进行三分量矢量处理包括对所述微地震S波信号进行偏振分析、旋转和矢量分解。
根据本发明的一个实施例，在所述步骤S213中，拾取所述井中微地震S波数据中事件初至时间为拾取所述井中微地震S波数据中S波信号最大振幅值所对应的时间。
根据本发明的一个实施例，在所述步骤S213中，所述若干个最小初至时间为三个最小初至时间；在所述步骤S214中，通过对所述三个最小初至时间和相应井中检波器的深度位置开展一元二次多项式拟合，建立随S波初至变化的微地震事件深度定位函数。
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：
本文发明提供了一种基于三分量检波器满覆盖井地联合监测的微地震事件定位方法，实现该方法包含以下两个过程：(一)是通过满覆盖三分量地面监测P波走时特征，获得微地震事件水平径向分布，具体操作是通过地面三分量P波数据开展偏振分析、旋转、矢量分解、初至拾取等处理，获得地面事件P波信号随检波器走时，针对其中三个最小走时，拟合一元二次多项式，求解其极值点，即可以获得微地震事件水平径向位置；(二)是通过满覆盖三分量井中监测S波走时特征，获得微地震事件垂向深度分布，具体操作类似于(一)步骤三分量处理，获得同一微地震井中事件S波信号随检波器走时，同样针对其中三个最小走时，拟合一元二次多项式并求解极值点，该极值点深度坐标亦即为微地震事件垂向深度位置。为了实现微地震事件定位既稳定又准确，通过三分量满覆盖井地联合监测方式，获得全方位空间微地震信号，同时兼顾地面监测微地震事件P波信号占优、井中监测S波信号占优的数据特点，分别对地面微地震P波信号、井中微地震S波信号采取三分量矢量处理，获得同一事件P波走时和S波走时，最后通过其中优选的三个最小走时拟合一元二次多项式，其对应的极值点坐标，即为所求的微地震事件径向、深度位置。
本发明根据煤层气、页岩气等非常规微地震监测需要，开展井地联合监测方式，兼顾地面微地震定位、井中微地震定位各自的优点，仅仅通过三分量矢量处理和多项式拟合，就能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事件定位方法的工作流程图；
图2是本发明实施例二的地面与井中联合微地震监测系统侧视图：地面检波器位置◆、井中检波器位置
Figure BDA0002089081920000041
事件位置●；
图3是本发明实施例二的地面监测到的微地震三分量信号：(a)Z分量；(b)X分量；(c)Y分量；
图4是本发明实施例二的地面微地震三分量矢量分解出沿传播方向P波信号；
图5是本发明实施例二的井中监测到的微地震三分量信号：(a)Z分量；(b)X分量；(c)Y分量；
图6是本发明实施例二的井中微地震三分量矢量分解出垂直传播方向S波信号；
图7是本发明实施例二的拾取的地面微地震P波走时；
图8是本发明实施例二的拾取的井中微地震S波走时；
图9是本发明实施例二的微地震事件定位结果与原始真实值的对比表。
具体实施方式
如图1所示，本发明分别对满覆盖监测的地面微地震P波信号和井中微地震S波信号采取三分量矢量处理，获得同一事件P波走时和S波走时，通过对其中若干个最小走时进行拟合，分别建立微地震事件径向定位函数和微地震事件深度定位函数，计算定位函数的极值点坐标，确定所求的微地震事件径向位置和深度位置，就可以实现微地震事件快速定位。
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
下面通过实施例一来详细地描述本发明的步骤原理。
为了满足煤层气、页岩气等非常规微地震监测需要，在本实施例中，基于三分量检波器满覆盖井地联合监测微地震事件并对微地震事件进行定位，其中包含以下两个过程：
(一)通过满覆盖三分量地面监测P波走时特征，获得微地震事件水平径向分布，具体操作是通过地面三分量P波数据开展偏振分析、旋转、矢量分解、初至拾取等处理，获得地面事件P波信号随检波器走时，针对其中三个最小走时，拟合一元二次多项式，求解其极值点，该极值点坐标即为微地震事件水平径向位置；
(二)通过满覆盖三分量井中监测S波走时特征，获得微地震事件垂向深度分布，具体操作类似于(一)步骤的三分量处理，获得同一微地震井中事件S波信号随检波器走时，同样针对其中三个最小走时，拟合一元二次多项式，求解其极值点，该极值点坐标即为微地震事件垂向深度位置。
下面具体介绍各个过程。
首先，利用地面三分量检波器微地震P信号信号占优，通过三分量矢量处理，获得沿传播方向且能量最强地面微地震P波数据。在具体操作中，利用已有专利技术“一种井中微地震三分量旋转方法”，对地面微地震三分量P波信号作水平X、Y分量偏振分析，获得P波水平方位角θP,XY,i，并对水平X、Y分量进行旋转处理：
AD,XR,i＝AD,X,i*cosθP,XY,i+AD,Y,i*sinθP,XY,i (1)
AD,YT,i＝AD,X,i*sinθP,XY,i+AD,Y,i*cosθP,XY,i (2)
其中i为地面检波器序号，AD,X,i、AD,Y,i分别为第i个地面微地震三分量检波器旋转之前水平X、Y分量原始数据，AD,XR,i、AD,YT,i分别为第i个地面微地震三分量检波器旋转之后新的水平径向分量和水平切向分量。
再对地面微地震原始Z分量与新的水平径向分量AD,XR,i作垂向偏振分析，获得P波垂向方位角θP,ZX,i，并进行旋转处理：
AD,R,i＝AD,Z,i*cosθP,ZX,i+AD,XR,i*sinθP,ZX,i (3)
AD,T,i＝AD,Z,i*sinθP,ZX,i+AD,XR,i*cosθP,ZX,i (4)
其中i为地面检波器序号，AD,Z,i为第i个地面微地震三分量检波器旋转之前垂向分量原始数据，AD,R,i、AD,T,i分别为第i个地面微地震三分量检波器旋转之后沿P波传播方向分量和垂直P波传播方向分量。
根据已有专利技术“一种井中微地震三分量旋转方法”原理，两两分量偏振旋转后获得的新分量AD,R,i，数值上是地面微地震三分量AD,X,i、AD,Y,i、AD,Z,i中P波数据矢量求和，其方向沿P波传播方向且能量最强。
然后，在能量最强的地面新分量AD,R,i上拾取P波信号最大振幅值对应时间—地面微地震事件P波初至事件TP,i(1≤i≤M)，从M个初至时间中，搜索出最小的三个初至时间TP,min1、TP,min2、TP,min3以及相应地面检波器径向位置LP,min1、LP,min2、LP,min3(LP,min1＜LP,min2＜LP,min3)。
由于检波器是满覆盖监测，因此微地震事件真实径向位置Levent就在上述三个地面检波器位置之间。根据最小的三个初至时间TP,min1、TP,min2、TP,min3非线性关系，开展一元二次多项式拟合：
LP＝AP*T2 P+BP*TP+CP (5)
将最小的三个初至时间和位置，带入式(5)，用最小二乘法或者三元一次方程组计算出多项式系数AP、BP、CP(具体推导略)。同时，进一步获得上述拟合函数的极值：
Figure BDA0002089081920000071
其中极值LP,min，即为所求微地震事件水平径向定位结果Levent。
其次，利用井中三分量检波器微地震S信号信号占优，通过三份量矢量处理，获得垂直传播方向且能量最强井中微地震S波数据。针对同一微地震事件的井中监测，与地面监测过程类似，利用已有专利技术“一种井中微地震三分量旋转方法”，对井中微地震三分量S波信号作水平分量偏振分析，获得S波水平方位角θS,XY,j，并对水平分量进行旋转：
AE,XR,j＝AE,X,j*cosθS,XY,j+AE,Y,j*sinθS,XY,j (7)
AE,YT,j＝AE,X,j*sinθS,XY,j+AE,Y,j*cosθS,XY,j (8)
其中j为井中检波器序号，AE,X,j、AE,Y,j分别为第j个井中微地震三分量检波器旋转之前水平两分量原始数据，AE,XR,j、AE,YT,j分别为第j个井中微地震三分量检波器旋转之后水平径向分量和水平切向分量。
再作垂向偏振分析，并进行旋转处理：
AE,R,j＝AE,Z,j*cosθS,ZX,j+AE,XR,j*sinθS,ZX,j (9)
AE,T,j＝AE,Z,j*sinθS,ZX,j+AE,XR,j*cosθS,ZX,j (10)
其中j为井中检波器序号，θS,ZX,j为S波垂向方位角，AE,Z,j为第j个井中微地震三分量检波器旋转之前垂向分量原始数据，AE,R,j、AE,T,j分别为第j个井中微地震三分量检波器旋转之后位于P波传播平面内且垂直P波传播方向分量和垂直于P波传播平面方向分量。新分量AE,R,j为井中微地震三分量AE,X,j、AE,Y,j、AE,Z,j中S波数据矢量求和、方向垂直于P波传播方向且能量最强。
最后，类似于地面微地震P波初至拟合，拾取同一微地震事件井中监测到的微地震S波事件初至时间TS,j(1≤j≤N)，搜索出最小的三个初至时间TS,min1、TS,min2、TS,min3以及相应井中检波器深度位置ZS,min1、ZS,min2、ZS,min3(ZS,min1＜ZS,min2＜ZS,min3)，开展一元二次多项式拟合：
ZS＝AS*T2 S+BS*TS+CS (11)
通常用最小二乘法或者三元一次方程组计算出多项式系数AS、BS、CS，进而计算获得上述拟合函数的极值：
Figure BDA0002089081920000081
其中极值ZS,min，即为所求微地震事件垂向深度定位结果Zevent。
最后，将微地震事件水平径向定位结果Levent与微地震事件垂向深度定位结果Zevent相结合，就实现了基于三分量检波器满覆盖井地联合的微地震事件空间快速定位(Levent，Zevent)。
实施例二
下面用模型数据来验证本发明微地震事件定位准确性。
图2为模型侧视图，采用地面、井中联合监测微地震信号。其中，在水平方向上采用地面监测，有31个三分量检波器且间距30米、Z分量垂直向下，在垂向上采用井中监测，有20个三分量检波器且间距10米、Z分量垂直向下，并且所有微地震数据采样间隔是0.1ms。同时，设计5个事件“SK1”“SK2”“SK3”“SK4”“SK5”，具体径向L位置、深度Z位置如表1所示。
首先，根据本发明微地震定位处理操作流程，如图1所示，以事件“SK1”为例：由于地面三分量检波器微地震P信号信号占优、井中三分量检波器微地震S信号信号占优，根据已有专利技术“一种井中微地震三分量旋转方法”原理，对地面微地震监测和井中微地震监测同时接收的三分量信号(图3、图5)，通过式(1)～(4)、式(7)～(10)，分别针对P波、S波作两两分量偏振分析、旋转，矢量分解出达到地面检波器之前沿传播方向P波(如图4)和达到井中检波器之前垂直传播方向的S波(如图6)。
然后，拾取5个事件对应的地面微地震P波初至时间和井中微地震S波初至时间，如图7、图8。按照地面检波器位置从近到远、井中检波器位置从浅到深，搜索出每个事件P波最小的三个初至时间TP,min1、TP,min2、TP,min3以及相应地面检波器径向位置LP,min1、LP,min2、LP,min3、S波最小的三个初至时间TS,min1、TS,min2、TS,min3以及相应井中检波器深度位置ZS,min1、ZS,min2、ZS,min3，分别根据式(5)、式(11)，开展一元二次多项式拟合，用最小二乘法或者三元一次方程组计算出地面和井中多项式系数。
最后，由于检波器是满覆盖监测，微地震事件真实位置位于检波器位置范围内。根据式(6)、式(12)，计算每个微地震事件地面一元二次多项式极值和井中一元二次多项式极值，其分别对应微地震事件径向位置Levent和深度位置Zevent，即，最终实现微地震定位处理。图9为本发明地面、井中联合监测微地震事件快速定位与微地震事件真实空间位置的对比表。由此表可以看出，理论上定位系统误差非常小，验证了本发明基于三分量检波器满覆盖井地联合定位能够高效地获得更稳定的高精度事件定位结果。
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)

1.一种满覆盖井地联合监测的微地震事件快速定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
S110，通过对地面监测的微地震P波信号进行处理，获得地面微地震P波信号随检波器走时，通过对其中若干个走时进行拟合，建立微地震事件径向定位函数，所述步骤S110包括以下步骤：S111，利用地面三分量检波器监测微地震P波信号；S112，对所述微地震P波信号进行三分量矢量处理，以获得沿传播方向且能量最强的地面微地震P波数据；S113，拾取所述地面微地震P波数据中事件初至时间，从所述事件初至时间中确定若干个最小初至时间，并确定相应地面检波器的径向位置；S114，通过对所述若干个最小初至时间和相应地面检波器的径向位置开展拟合，建立随P波初至变化的微地震事件径向定位函数；
S120，通过求解微地震事件径向定位函数的极值点，确定微地震事件水平径向位置；
S210，通过对井中监测的微地震S波信号进行处理，获得井中微地震S波信号随检波器走时，通过对其中若干个走时进行拟合，建立微地震事件深度定位函数，所述步骤S210包括以下步骤：S211，利用井中三分量检波器监测微地震S波信号；S212，对所述微地震S波信号进行三分量矢量处理，以获得沿垂直传播方向且能量最强的井中微地震S波数据；S213，拾取所述井中微地震S波数据中事件初至时间，从所述事件初至时间中确定若干个最小初至时间，并确定相应井中检波器的深度位置；S214，通过对所述若干个最小初至时间和相应井中检波器的深度位置开展拟合，建立随S波初至变化的微地震事件深度定位函数；
S220，通过求解微地震事件深度定位函数的极值点，确定微地震事件垂向深度位置；
S300，根据微地震事件水平径向位置和垂向深度位置对所述微地震事件进行定位。
2.如权利要求1所述的微地震事件快速定位方法，其特征在于：
在所述步骤S112中，对所述微地震P波信号进行三分量矢量处理包括对所述微地震P波信号进行偏振分析、旋转和矢量分解。
3.如权利要求2所述的微地震事件快速定位方法，其特征在于：
在所述步骤S113中，拾取所述地面微地震P波数据中事件初至时间为拾取所述地面微地震P波数据中P波信号最大振幅值所对应的时间。
4.如权利要求3所述的微地震事件快速定位方法，其特征在于：
在所述步骤S113中，所述若干个最小初至时间为三个最小初至时间；
在所述步骤S114中，通过对所述三个最小初至时间和相应地面检波器的径向位置开展一元二次多项式拟合，建立随P波初至变化的微地震事件径向定位函数。
5.如权利要求1所述的微地震事件快速定位方法，其特征在于：
在所述步骤S212中，对所述微地震S波信号进行三分量矢量处理包括对所述微地震S波信号进行偏振分析、旋转和矢量分解。
6.如权利要求1所述的微地震事件快速定位方法，其特征在于：
在所述步骤S213中，拾取所述井中微地震S波数据中事件初至时间为拾取所述井中微地震S波数据中S波信号最大振幅值所对应的时间。
7.如权利要求1所述的微地震事件快速定位方法，其特征在于：
在所述步骤S213中，所述若干个最小初至时间为三个最小初至时间；
在所述步骤S214中，通过对所述三个最小初至时间和相应井中检波器的深度位置开展一元二次多项式拟合，建立随S波初至变化的微地震事件深度定位函数。
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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