CN112099080B - 一种基于局部叠加检测地面微地震事件的方法 - Google Patents

一种基于局部叠加检测地面微地震事件的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于局部叠加检测地面微地震事件的方法，包括如下步骤：a根据地面若干检波器的排列方式及其之间的距离，对若干检波器进行分组；b利用若干检波器收集微地震数据，并对微地震数据进行时频分析和滤波，得到滤波波形；c对滤波波形做互相关叠加处理，得到互相关系数叠加曲线；d基于互相关系数叠加曲线，设置若干检波器的检测阈值，当某时刻的相关系数值大于检测阈值时，则标记该时刻存在一个微地震事件；e设置若干检波器的约束条件，当某时刻的信号被至少50次标记为地震事件时，说明该时刻存在一个微地震事件。本发明方法不需要拾取样本事件，能够实现对地震事件的盲搜索。

Description

一种基于局部叠加检测地面微地震事件的方法
技术领域
本发明涉及一种基于局部叠加检测地面微地震事件的方法，属于地面微地震监测技术领域。
背景技术
微地震监测技术是水力压裂裂缝效果评估的重要技术之一，该项技术是通过井中或地面监测的压裂数据对微地震事件进行检测与定位，根据微地震事件的检测和定位 结果，对水力压裂裂缝的空间展布和储层改造体积进行定量评估。微地震事件信号具 有频率高、能量弱的特点，常规处理中利用样本扫描的方法检测与模板事件相似的微 地震事件，在此基础上通过网格搜索进行震源定位，因此，准确拾取弱微地震信号是 微地震监测中的关键技术之一。
目前国内外最常用的微地震事件检测方法有样本事件扫描法、长短时窗比法、Semblance叠加方法等，其中样本事件扫描法根据具有相似震源机制微地震事件的波 形相似性，利用已有地震事件(样本事件)和连续波形记录的互相关函数来识别弱地 震信号，但该方法需要样本事件、走时资料等先验信息，样本事件的选取是关键步骤 之一，而在地面微地震监测技术中，样本事件数量有限；长短时窗比方法利用信号能 量与噪音能量比值突出某时刻的异常信号值，该方法计算效率高，缺点是对低信噪比 数据资料中的地震事件识别能力差，常用于快速扫描震级较高地震事件，Semblence 叠加方法基于信号的相干性识别弱地震信号，但该方法对信号的极性一致要求较高， 通常在实际处理中首先需要对信号的极性进行校正。
发明内容
针对上述突出问题，本发明提供一种基于局部叠加检测地面微地震事件的方法，该方法能够用于地面微地震数据资料处理，不需要拾取样本事件，能够实现对地震事 件的盲搜索，且对弱地震信号的识别能力较强，利用绝对值的形式，一定程度上消除 了信号极性变化带来的负面影响。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种基于局部叠加检测地面微地震事件的方法，包括如下步骤：
a根据地面若干检波器的排列方式及各所述检波器之间的距离，对若干所述检波器进行分组；
b利用若干所述检波器收集微地震数据，并对所述微地震数据进行时频分析和滤波，得到滤波波形；
c对所述滤波波形做互相关叠加处理，得到互相关系数叠加曲线；
d基于所述互相关系数叠加曲线，在异常值识别时引入绝对中位差的倍数，设置若干所述检波器的检测阈值，当某时刻的相关系数值大于检测阈值时，则标记该时刻 存在一个微地震事件；
e设置若干所述检波器的约束条件，当某时刻的信号被至少50次标记为地震事件时，说明该时刻存在一个微地震事件。
所述的基于局部叠加检测地面微地震事件的方法，所述步骤a包括如下具体步骤：
将若干个所述检波器分为N组，每组包含p个所述检波器，其中p个所述检波器 满足相邻关系。
所述的基于局部叠加检测地面微地震事件的方法，所述步骤b包括如下具体步骤：
利用若干所述检波器收集微地震数据，截取部分微地震数据做短时傅里叶变换处理，将时间域信号变换到时间频率域，得到微地震信号的频率分布范围，根据所述微 地震信号的频率分布范围对所有的微地震数据进行带通滤波处理，得到滤波波形。
所述的基于局部叠加检测地面微地震事件的方法，所述步骤c包括如下具体步骤：
将每组所述检波器中心位置处的所述检波器记录的所述滤波波形作为主波形，其余p-1个所述检波器的连续波形分别与所述主波形进行互相关处理，最后p-1条叠加 曲线进行叠加，相关叠加的具体计算公式如下：
Figure BDA0002643486910000031
式中，CC(t)是t时刻的波形相关系数值；式中t是采样点时刻；M为记录所述检 波器的数目；τ表示互相关窗口的位移量，最大值为Lmax，最小值为-Lmax，Lmax是指 互相关窗口的最大位移量，-Lmax是指互相关窗口的最小位移量；W是相关窗口长度值 的一半，单位为秒，总窗口长度内包含2W+1个离散采样点；ui是指第i个子波形的数 据值；um是指主波形的数据值；k是指相关窗口内的k时刻；t-W是指以t为中心时刻 延迟W个时间采样点的时刻；t+W是指以t为中心时刻向前延拓W个时间采样点的时 刻。
所述的基于局部叠加检测地面微地震事件的方法，所述步骤d包括如下具体步骤：
基于所述互相关系数叠加曲线，在异常值识别时引入绝对中位差的倍数，设置若干所述检波器的检测阈值，当某时刻的相关系数值大于检测阈值时，则标记该时刻存 在一个微地震事件，具体的计算公式如下：
threshold＝9*MAD＝9*mediani(|Xi-medianj(Xj)|) (2)
式中，median是指中值函数；medianj(Xj)是指原数组的中位值；Xi是指原数组的第i个数据点；threshold是指检测阈值，其被设置为9倍MAD；MAD(median absolutedeviation)是指绝对中位差。
所述的基于局部叠加检测地面微地震事件的方法，每组所述检波器中，相邻所述检波器的距离为15-20m；监测目标区域深度约为3km。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
1、本发明基于地面大排列的监测数据，利用局部叠加的方法对微地震事件进行了检测，本发明的方法能够应用于质量较低的地面微地震单分量数据资料处理，可检测 到的最小可靠地震事件可达到-2.9级；
2、本发明方法能够实现对微地震事件的盲搜索，还能够达到无样本事件的微地震识别，克服了样本事件选取的复杂问题，且适用于检测震级较低的微地震事件，受信 号极性变化的影响较小。
附图说明
图1为本发明方法所使用的局部分组示意图；
图2为利用局部范围内台站记录波形的相关系数叠加处理十分钟数据得到的结果图；
图3为应用本发明的方法处理三个小时的数据得到震级频度分布图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实 施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得 的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
微地震监测方式分为井中监测和地面微地震监测，井中监测是指将高灵敏度的传感器布置在靠近压裂位置的井中，记录压裂导致岩层破裂产生的信号；地面微地震监 测是指将检波器部署在浅层地表或地面，相比于井中监测，地面微地震监测具有微地 震监测范围大、成本低、利于震源机制反演的优点。地面微地震监测采用大排列，地 面上成千上万道数据的有效叠加提高信噪比，由于若干检波器的大排列排布方式，检 波器的分布面积较大，覆盖面积广，地震信号到达不同检波器的初至时间存在很大的 差异。
当相邻检波器之间的距离远小于检波器到震源的距离时，可以假设一个地震信号传播到两个检波器经过相同的射线路径，几乎同时到达两个检波器，因此两个检波器 记录的波形具有很强的相似性，可以不需要进行时间校正直接叠加或通过特征函数处 理后叠加。在地面大排列中，局部范围内的检波器满足该假设规则都可以被认为是相 邻检波器，如附图1所示，选择中心检波器为主检波器，与主检波器满足相邻条件的 检波器为相邻检波器。将M道检波器按照相邻关系分成N组，每组中包含p个检波 器。
一种基于局部叠加检测地面微地震事件的方法，包括如下步骤：
a根据地面若干检波器的排列方式及其之间的距离，对上千道检波器进行分组；
本实施例采用地面大排列方式记录的微地震数据，地面监测检波器阵共由1130个检波器组成，共分为十条测线，每条测线上相邻检波器的距离约为15m，监测目标 区域(震源)深度约为4km；当相邻检波器之间的距离远小于检波器到震源的距离时， 可以假设一个地震信号传播到两个检波器经过相同的射线路径，几乎同时到达两个检 波器，因此两个检波器记录的波形具有很强的相似性，可以不需要进行时间校正直接 叠加或通过特征函数处理后叠加。在地面大排列中，局部范围内的检波器满足该假设 则都可以被认为是相邻检波器，如附图1所示，选择中心检波器为主检波器，与主检 波器满足相邻条件的检波器为相邻检波器。将1130道检波器按照相邻关系分成113组， 每组中包含10个检波器。
b利用步骤a中的检波器收集微地震数据，截取部分微地震数据做短时傅里叶变换处理，将时间域信号变换到时间频率域，得到微地震信号的频率分布范围，根据微 地震信号的频率分布范围对所有的微地震数据进行带通滤波处理，得到滤波波形。
c对所述滤波波形做互相关叠加处理，得到互相关系数叠加曲线；具体步骤如下：
步骤a中1130个检波器被分为113组，每组中包含10个检波器，其中的10个检 波器都被认为满足相邻关系，将中心位置检波器记录的滤波波形作为主波形，其余9 个检波器的连续波形分别与主波形进行互相关处理，最后9条叠加曲线进行叠加，相 关叠加的具体计算公式如下：
Figure BDA0002643486910000061
式中，CC(t)是t时刻的波形相关系数值；式中t是采样点时刻；M为记录所述检 波器的数目；τ表示互相关窗口的位移量，最大值为Lmax，最小值为-Lmax，Lmax是指 互相关窗口的最大位移量，-Lmax是指互相关窗口的最小位移量；W是相关窗口长度值 的一半，单位为秒，总窗口长度内包含2W+1个离散采样点；ui是指第i个子波形的数 据值；um是指主波形的数据值；k是指相关窗口内的k时刻；t-W是指以t为中心时刻 延迟W个时间采样点的时刻；t+W是指以t为中心时刻向前延拓W个时间采样点的时 刻。
互相关计算时，首先需要选择合适的相关窗口长度W(单位为秒)，本发明中的 方法不分离p波和s波，直接计算窗口长度内的滤波波形相关系数CC(t)；t-W时刻到 t+W时刻的波形相关值表示t时刻的相关系数CC(t)，相关窗口以固定间隔移动(采样 间隔)，当计算完所有时刻的相关系数CC(t)时停止计算；τ和Lmax的引入是为了进一 步消除初至时间不同带来的影响。
d基于所述互相关系数叠加曲线，在异常值识别时引入绝对中位差的倍数，设置若干所述检波器的检测阈值，当某时刻的相关系数CC(t)值大于检测阈值时，则标记该 时刻存在一个微地震事件；具体的计算公式如下：
threshold＝9*MAD＝9*mediani(|Xi-medianj(Xj)|) (2)
式中，median是指中值函数；medianj(Xj)是指原数组的中位值；Xi是指原数组的第i个数据点；threshold是指检测阈值，其被设置为9倍MAD；MAD是指绝对中位差。
e设置若干所述检波器的约束条件(约束条件是通过地震事件实例的测试得到)，当某时刻的信号被至少50次标记为地震事件时，说明该时刻存在一个微地震事件。
本实施例中，步骤a通过检波器的相邻关系，将大排列检波器阵分成了113组， 步骤c利用互相关方法处理，共得到113条相关系数叠加曲线，由于113个组的检波 器到震源的距离差异较大、受到的噪音干扰程度不同，距离震源位置远、噪音干扰强 的检波器阵组对地震信号的监测能力差，因此只有部分叠加系数曲线中可观察到地震 信号，步骤d通过设置检测阈值，对每一条叠加曲线中的微地震事件进行了标记，当 某时刻的信号至少被50次标记为地震事件时，即在至少50条相关系数叠加曲线中检 测到同一个地震事件时，则认为该微地震事件是一个真事件，当标记次数小于50时， 认为该信号是一个伪地震事件。
利用本发明的方法对三个小时的连续压裂数据进行了处理，由图2可以看出，互相关系数叠加后的相关系数值较高，最终一共检测到297个微地震事件，通过对地震 的震级-频度的统计，由图3可以看出，能检测到的可靠最小地震震级为约为-2.9。从 上述结果可以看出，本发明的方法可以有效应用到地面微地震事件检测应用中，不需 要拾取样本事件，实现对地震事件的盲搜索，且对弱地震信号的识别能力较强。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其 依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行 等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技 术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种基于局部叠加检测地面微地震事件的方法，其特征在于，包括如下步骤：
a根据地面若干检波器的排列方式及各所述检波器之间的距离，对若干所述检波器进行分组；
b利用若干所述检波器收集微地震数据，并对所述微地震数据进行时频分析和滤波，得到滤波波形；
c对所述滤波波形做互相关叠加处理，得到互相关系数叠加曲线；
d基于所述互相关系数叠加曲线，在异常值识别时引入绝对中位差的倍数，设置若干所述检波器的检测阈值，当某时刻的相关系数值大于检测阈值时，则标记该时刻存在一个微地震事件；
e设置若干所述检波器的约束条件，当某时刻的信号被至少50次标记为地震事件时，说明该时刻存在一个微地震事件；
所述步骤c包括如下具体步骤：
将每组所述检波器中心位置处的所述检波器记录的所述滤波波形作为主波形，其余p-1个所述检波器的连续波形分别与所述主波形进行互相关处理，最后p-1条叠加曲线进行叠加，相关叠加的具体计算公式如下：
Figure FDA0003206325660000011
式中，CC(t)是t时刻的波形相关系数值；式中t是采样点时刻；M为记录所述检波器的数目；τ表示互相关窗口的位移量，最大值为Lmax，最小值为-Lmax，Lmax是指互相关窗口的最大位移量，-Lmax是指互相关窗口的最小位移量；W是相关窗口长度值的一半，单位为秒，总窗口长度内包含2W+1个离散采样点；ui是指第i个子波形的数据值；um是指主波形的数据值；k是指相关窗口内的k时刻；t-W是指以t为中心时刻延迟W个时间采样点的时刻；t+W是指以t为中心时刻向前延拓W个时间采样点的时刻。
2.根据权利要求1所述的基于局部叠加检测地面微地震事件的方法，其特征在于，所述步骤a包括如下具体步骤：
将若干个所述检波器分为N组，每组包含p个所述检波器，其中p个所述检波器满足相邻关系。
3.根据权利要求2所述的基于局部叠加检测地面微地震事件的方法，其特征在于，所述步骤b包括如下具体步骤：
利用若干所述检波器收集微地震数据，截取部分微地震数据做短时傅里叶变换处理，将时间域信号变换到时间频率域，得到微地震信号的频率分布范围，根据微地震信号的频率分布范围对所有的微地震数据进行带通滤波处理，得到滤波波形。
4.根据权利要求3所述的基于局部叠加检测地面微地震事件的方法，其特征在于，所述步骤d包括如下具体步骤：
基于所述互相关系数叠加曲线，在异常值识别时引入绝对中位差的倍数，设置若干所述检波器的检测阈值，当某时刻的相关系数值大于检测阈值时，则标记该时刻存在一个微地震事件，具体的计算公式如下：
threshold＝9*MAD＝9*mediani(|Xi-medianj(Xj)|) (2)
式中，median是指中值函数；medianj(Xj)是指原数组的中位值；Xi是指原数组的第i个数据点；threshold是指检测阈值，其被设置为9倍MAD；MAD是指绝对中位差。
5.根据权利要求2所述的基于局部叠加检测地面微地震事件的方法，其特征在于，每组所述检波器中，相邻所述检波器的距离为15-20m；监测目标区域深度为3km。
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