CN112415571B - 一种微地震定位方法、存储介质及设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微地震定位方法、存储介质及设备，方法包括步骤：根据测井信息得到的声波速度划分层位，得到工区的水平层状速度模型；利用水平层状速度模型计算得到均方根速度模型及非均匀因子参数模型；利用射孔事件采用常速度扫描叠加能量，获得射孔位置处的最佳叠加速度；利用射孔位置处的最佳叠加速度校正更新所述均方根速度模型；利用更新后的均方根速度模型和非均匀因子参数模型进行微地震扫描叠加定位，得到微地震定位结果。本发明联合测井信息和射孔事件自主建立了均方根速度模型和非均匀因子参数模型，所述模型表达的近似理论走时具有较高的精度，可用在偏移叠加定位过程中直接计算初至理论走时，有利于提高微地震定位的计算效率。

Description

一种微地震定位方法、存储介质及设备

技术领域

本发明涉及地震监测技术领域，特别涉及一种微地震定位方法、存储介质及设备。

背景技术

微地震监测主要有两种形式：地面监测和井中监测。由于检波器布设简单且更加经济，地面监测受到越来越广泛的应用。然而，地面微地震监测采集的数据通常具有数据量大、信噪比低的特征，基于震相到时拾取的传统定位方法难以实际应用。目前，基于偏移的扫描叠加定位方法技术已成为实际地面微地震监测的主要工具，由于该方法对速度模型依赖性很强，实际应用中速度模型精度是这一技术能否取得成功的关键因素。。

建立精确的三维速度模型是微地震监测的一个重大挑战，微地震定位的初始速度模型一般主要通过测井资料或主动源成像获得，再利用射孔事件进行速度模型校正更新层速度模型。由于各层速度的不确定和各层层位的不确定性可能导致射孔事件定位结果存在系统误差，从而影响微地震事件定位结果。此外，通常射孔事件数量有限，并且射孔事件信号信噪比也可能不高，这些因素也会影响速度模型的反演精度。另外，对于实时地面微地震监测而言，即使有三维速度模型，基于三维速度模型的P波和S波理论走时表也需要很大的计算量和存储空间。

由于精确的微地震三维速度模型难以获取，已有技术实际应用中一般采用射孔事件标定的均匀速度模型，该速度模型只适合射孔附近的微地震事件定位。即使满足水平层状介质模型假设，对于射孔上方及下方的微地震事件也会产生较大的定位误差，导致微地震监测给出的裂缝长度或破裂范围比实际情况偏大，这也是目前水力压裂微地震监测需要解决的一个重要实际问题。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足，提供一种微地震定位方法、存储介质及设备，旨在解决现有微地震定位的计算效率较低以及精度较差的问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种微地震定位方法，其中，包括步骤：

根据测井信息得到的声波速度划分层位，得到工区的水平层状速度模型；

利用水平层状速度模型计算得到均方根速度模型及非均匀因子参数模型；

利用射孔事件采用常速度扫描叠加能量，获得射孔位置处的最佳叠加速度；

利用射孔位置处的最佳叠加速度校正更新所述均方根速度模型；

利用更新后的均方根速度模型和非均匀因子参数模型进行微地震扫描叠加定位，得到微地震定位结果。

所述的微地震定位方法，其中，所述根据测井信息得到的声波速度划分层位，得到工区的水平层状速度模型的步骤包括：

以井口为中心，将地震检波器布设在所述井口的周围进行微地震监测，获取微地震数据；

根据声波测井速度结合地质信息划分出若干个层位，然后计算各层位内的平均速度作为各层的速度，获得水平层状速度模型。

所述的微地震定位方法，其中，所述利用水平层状速度模型计算得到均方根速度模型及非均匀因子参数模型的步骤包括：

水平层状介质假设条件下的均方根速度模型的表达式为：

平均速度的表达式为：

其中，v_m表示均方根速度，v_a表示平均速度，v_i表示第i层的速度，t_i表示第i层的垂直旅行时，n表示层数；

根据所述均方根速度模型的表达式以及平均速度的表达式，得到地层的非均匀因子参数模型表达式为：

所述的微地震定位方法，其中，所述利用射孔事件采用常速度扫描叠加能量定位，获得射孔位置处的最佳叠加速度的步骤包括：

根据观测系统和目标区域确定微地震事件定位成像范围；

根据工区速度范围，以预设常速度对射孔事件进行扫描叠加定位，将最小定位误差结果对应的速度值作为射孔位置处的最佳叠加速度。

所述的微地震定位方法，其中，所述获得所述射孔位置处的最佳叠加速度的步骤包括：

水平层状介质假设条件下的初至到时采用如下公式表示：

其中，h表示震源到检波点的水平距离，z表示震源深度，τ₀表示震源的发震时刻；

零偏移距的检波器的初至到时采用如下公式表示：

根据所述非均匀因子参数模型表达式，水平层状介质假设条件下的初至到时表达式以及零偏移距的检波器的初至到时，得到由均方根速度和非均匀因子表达的到时表达式：

对于可见波形的射孔事件，直接在记录上拾取初至到时t₀，利用振幅相似性算法扫描确定最佳叠加速度，所述振幅相似性算法的表达式为：

其中，Δt表示计算时窗，u_j表示第j道数据对应的观测幅值，N表示数据总的道数。

所述的微地震定位方法，其中，所述利用更新后的均方根速度模型和非均匀因子参数模型进行微地震扫描叠加定位的步骤包括：

在每一个时刻对于每一个成像网格点，根据理论走时得到各台站数据对应的振幅，再将振幅值进行叠加，所述理论走时的表达式为：

其中，

所述的微地震定位方法，其中，所述利用更新后的均方根速度模型和非均匀因子参数模型进行微地震扫描叠加定位的步骤包括：

对于扫描叠加结果，根据定位成像函数发震时刻处成像空间的最大能量值确定微地震事件定位的结果，所述定位成像函数的表达式为：

其中，A_i表示利用特征函数或者震源机制反演方法消除震源机制引起的波形极性变化影响后的幅值，(x，y，z)表示震源成像网格点。

所述的微地震定位方法，其中，所述利用更新后的均方根速度模型和非均匀因子参数模型进行微地震扫描叠加定位的步骤包括：

对于扫描叠加结果，根据最大能量值所对应的时刻和空间位置确定微地震事件的发震时刻和震源坐标，其表达式为：

其中，

表示确定的发震时刻，

表示确定的震源坐标位置。

一种存储介质，其中，所述存储介质存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现本发明所述微地震定位方法中的步骤。

一种微地震定位设备，其中，包括处理器，适于实现各指令；以及存储介质，适于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行本发明一种微地震定位方法中的步骤。

有益效果：本发明的基于均方根速度和非均匀因子的微地震定位方法联合测井和射孔信息得到一个均方根速度模型，其相比于均匀速度模型更准确；本发明方法可在定位过程中直接求取理论走时不需要事先计算存储走时表具有较高的计算效率，能够快速得到精度较高的微地震事件定位结果；本发明适合应用于地下介质速度横向变化不是很剧烈的地区的地面微地震监测；本发明对于地面微地震实时监测有重要实际应用价值。

附图说明

图1为本发明一种微地震定位方法较佳实施例的流程图。

图2为本发明地面微地震监测采集观测系统示意图。

图3为本发明实施例涉及的方法中根据声波测井划分的层速度模型示意图。

图4为本发明实施例涉及的方法中非均匀因子参数模型示意图。

图5为本发明实施例涉及的方法中均方根速度模型示意图。

图6为本发明实施例涉及的方法中一个典型微地震事件的定位结果示意图。

图7为常规利用均匀速度模型微地震定位结果示意图。

图8为本发明实施例涉及的方法微地震定位结果示意图。

图9为本发明一种微地震定位设备的原理图。

具体实施方式

本发明提供一种微地震定位方法、存储介质及设备，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或无线耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

下面结合附图，通过对实施例的描述，对发明内容作进一步说明。

由于精确的微地震三维速度模型难以获取，已有技术实际应用中一般采用射孔事件标定的均匀速度模型，该速度模型只适合射孔附近的微地震事件定位。即使满足水平层状介质模型假设，对于射孔上方及下方的微地震事件也会产生较大的定位误差，导致微地震监测给出的裂缝长度或破裂范围比实际情况偏大，这也是目前水力压裂微地震监测需要解决的一个重要实际问题。

基于此，本发明提供了一种微地震定位方法，如图1所示，其包括步骤：

S10、根据测井信息得到的声波速度划分层位，得到工区的水平层状速度模型；

S20、利用水平层状速度模型计算得到均方根速度模型及非均匀因子参数模型；

S30、利用射孔事件采用常速度扫描叠加能量，获得射孔位置处的最佳叠加速度；

S40、利用射孔位置处的最佳叠加速度校正更新所述均方根速度模型；

S50、利用更新后的均方根速度模型和非均匀因子参数模型进行微地震扫描叠加定位，得到微地震定位结果。

本实施例联合测井信息和射孔事件自主建立了均方根速度模型和非均匀因子参数模型，由所述均方根速度模型和非均匀因子参数模型表达的近似理论走时在速度横向变化不是很剧烈的条件下具有较高的精度，可用在偏移叠加定位过程中直接计算初至理论走时，有利于提高微地震定位的计算效率；本实施例提供的均方根速度模型和非均匀因子参数模型是本实施例的一个关键特征，该模型可近似表达横向变化不是很剧烈的三维速度模型，较现有均匀速度模型更加准确，可兼顾实际地面微地震事件定位的效率和精度。

下面结合某区块水力压裂地面微地震监测对本实施例方案进行详细地描述。

在一些实施方式中，将地震检波器(单分量检波器)按设计的观测系统布设在地表进行微地震监测。具体来讲，以井口为中心，在井口周围用758个单分量检波器接收水力压裂导致岩石破裂产生的微地震信号，记录并存储对应的758道微地震数据，图2为该工区微地震监测的采集观测系统示意图，所述单分量检波器的覆盖面积大约3000m×3000m。

在本实施例中，根据声波测井信息确定该工区的层状速度模型，首先根据声波测井速度结合地质信息划分出若干个层位，然后计算各层位内的平均速度作为各层的速度，图3是该工区利用声波测井速度划分的层速度模型示意图，其中，灰色实线表示测井得到的声波速度曲线，黑色实线表示确定的层速度曲线。

在一些实施方式中，利用层速度模型计算得到均方根速度模型，再利用均方根速度和平均速度计算地层的非均匀因子参数模型。具体来讲，层速度模型是v_i按照一定的深度间隔采样得到的速度模型，水平层状介质假设条件下的均方根速度计算公式表示为：

对于每个深度位置，利用所述v_m表达式即可计算得到相应的均方根速度，对应的随深度变化的均方根速度即为均方根速度模型。平均速度的表达式为：

其中，v_i表示第i层的速度，t_i表示第i层的垂直旅行时，n表示层数；根据所述均方根速度的表达式以及平均速度的表达式，得到地层的非均匀因子参数模型表达式为：

在本实施例中，请参阅图4，图4为工区确定的非均匀因子参数模型示意图。由于均方根速度大于平均速度，非均匀因子参数是一个正数，只有在均匀速度模型的情况下等于零，该参数反映了层速度大小的变化强度，变化越剧烈值越大，这也是本实施例不同于现有技术的一个显著特征，使用非均匀因子参数表达层状速度模型的垂向非均匀性质。

在一些实施方式中，利用射孔事件采用常速度扫描叠加能量定位，获得射孔位置处的最佳叠加速度的步骤包括：根据观测系统和目标区域确定微地震事件定位成像范围；根据工区速度范围，以预设常速度对射孔事件进行扫描叠加定位，将最小定位误差结果对应的速度值作为射孔位置处的最佳叠加速度。

具体来讲，根据观测系统和目标区域确定微地震事件定位成像范围，针对该工区具体成像范围是：X方向-500m～1000m，Y方向-500m～1000m，Z方向500m～1500m，网格大小是1500m×1500m×1500m，网格间隔是10m。根据工区速度范围，在速度3500m/s–5000m/s内以间隔50m/s的常速度对射孔事件进行扫描叠加定位，最小定位误差结果对应的速度值为4250m/s，该速度值即为射孔位置处的最佳叠加速度，对应深度1250m。之后根据射孔事件确定的最佳叠加速度校正更新均方根速度模型，具体可根据射孔深度处原均方根速度调整到最佳叠加速度的百分比进行整体增大或减小。图5为均方根速度模型示意图，图中灰色实线为层速度，灰色虚线为均方根速度，星型表示射孔事件确定的射孔位置处的叠加速度，黑实线为更新后的均方根速度模型。

在一些实施方式中，所述获得所述射孔位置处的最佳叠加速度的步骤包括：水平层状介质假设条件下的初至到时采用如下公式表示：

其中，h表示震源到检波点的水平距离，z表示震源深度，τ₀表示震源的发震时刻；零偏移距的检波器的初至到时采用如下公式表示：

根据所述非均匀因子参数模型表达式，水平层状介质假设条件下的初至到时表达式以及零偏移距的检波器的初至到时，得到由均方根速度和非均匀因子表达的到时表达式：

其中，令

则

利用上面的理论到时解析表达式，对于可见波形的射孔事件可以直接在记录上拾取初至到时t₀，之后利用振幅相似性算法扫描确定叠加速度，动校后的振幅相似性计算可表示如下：

其中，Δt表示计算时窗，u_j表示第j道数据对应的观测幅值，N表示数据总的道数。在本实施例中，对于射孔事件信噪比很低的情况，也可以采用叠加速度和发震时刻双参数扫描的方法确定射孔位置处的最佳叠加速度值。

在一些实施方式中，利用更新后的均方根速度模型和非均匀因子参数模型对微地震数据段逐个进行扫描叠加定位。具体是在每一个时刻对于每一个成像网格点根据理论走时得到各台站数据对应的振幅，再将振幅值进行叠加，所述理论走时的表达式为：

从所述理论走时表达式可以看出，当非均匀因子g等于零时，上面的表达式退化为均匀速度模型下的理论到时表达式。

在一些实施方式中，对于扫描叠加结果，根据定位成像函数发震时刻处成像空间的最大能量值确定微地震事件定位的结果，所述定位成像函数可表示为：

其中，A_i表示利用特征函数或者震源机制反演方法消除震源机制引起的波形极性变化影响后的幅值，所述特征函数可以用绝对值、振幅平方或包络，这里我们采用的是联合震源机制快速反演校正极性的方法。

在一些实施方式中，对于扫描叠加结果，根据最大能量值所对应的时刻和空间位置确定微地震事件的发震时刻和震源坐标，其表达式为：

其中，

表示确定的发震时刻，

表示确定的震源坐标位置。本实施例中，图6是一个典型微地震事件的定位成像结果，能量聚焦效果较好，表明速度模型比较准确定位结果较为可靠，根据最大能量值确定的震源定位位置在(270m，300m,1210m)。

在一些实施方式中，由于微地震数据定位是将连续记录的数据分成时间段数据，对全部时间段数据进行上述偏移叠加定位处理即可得到所有微地震事件的定位结果，最后输出微地震事件定位结果。图7是利用射孔事件标定的均匀速度模型得到的微地震事件定位结果，图8是利用本发明方法得到的微地震事件定位结果；图中箭头表示主应力方向，实线表示井轨迹，圆圈表示检测定位的微地震事件，颜色深浅表示发震时刻。通过对比发现，微地震事件分布范围及形态较为一致，但更加集中，与压裂段位置及压裂过程更吻合，表明本发明方法具有更高的定位精度，由此给出的裂缝长度或破裂范围更符合实际情况。

在一些实施方式中，还提供一种存储介质，其中，所述存储介质存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现本发明所述微地震定位方法中的步骤。

在一些实施方式中，一种微地震定位设备，如图9所示，其包括至少一个处理器(processor)20；显示屏21；以及存储器(memory)22，还可以包括通信接口(CommunicationsInterface)23和总线24。其中，处理器20、显示屏21、存储器22和通信接口23可以通过总线24完成相互间的通信。显示屏21设置为显示初始设置模式中预设的用户引导界面。通信接口23可以传输信息。处理器20可以调用存储器22中的逻辑指令，以执行上述实施例中的方法。

此外，上述的存储器22中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

存储器22作为一种计算机可读存储介质，可设置为存储软件程序、计算机可执行程序，如本公开实施例中的方法对应的程序指令或模块。处理器20通过运行存储在存储器22中的软件程序、指令或模块，从而执行功能应用以及数据处理，即实现上述实施例中的方法。

存储器22可包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序；存储数据区可存储根据终端设备的使用所创建的数据等。此外，存储器22可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器。例如，U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等多种可以存储程序代码的介质，也可以是暂态存储介质。

此外，上述存储介质以及终端设备中的多条指令处理器加载并执行的具体过程在上述方法中已经详细说明，在这里就不再一一陈述。

综上所述，本发明的基于均方根速度和非均匀因子的微地震定位方法联合测井和射孔信息得到一个均方根速度模型，其相比于均匀速度模型更准确；本发明方法可在定位过程中直接求取理论走时不需要事先计算存储走时表具有较高的计算效率，能够快速得到精度较高的微地震事件定位结果；本发明适合应用于地下介质速度横向变化不是很剧烈的地区的地面微地震监测；本发明对于地面微地震实时监测有重要实际应用价值。

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 (10)

1.一种微地震定位方法，其特征在于，包括步骤：

根据测井信息得到的声波速度划分层位，得到工区的水平层状速度模型；

利用水平层状速度模型计算得到均方根速度模型及非均匀因子参数模型；

利用射孔事件采用常速度扫描叠加能量，获得射孔位置处的最佳叠加速度；

利用射孔位置处的最佳叠加速度校正更新所述均方根速度模型；

利用更新后的均方根速度模型和非均匀因子参数模型进行微地震扫描叠加定位，得到微地震定位结果。

2.根据权利要求1所述的微地震定位方法，其特征在于，所述根据测井信息得到的声波速度划分层位，得到工区的水平层状速度模型的步骤包括：

以井口为中心，将地震检波器布设在所述井口的周围进行微地震监测，获取微地震数据；

根据声波测井速度结合地质信息划分出若干个层位，然后计算各层位内的平均速度作为各层的速度，获得水平层状速度模型。

3.根据权利要求1所述的微地震定位方法，其特征在于，所述利用水平层状速度模型计算得到均方根速度模型及非均匀因子参数模型的步骤包括：

水平层状介质假设条件下的均方根速度模型的表达式为：

平均速度的表达式为：

其中，v_m表示均方根速度，v_a表示平均速度，v_i表示第i层的速度，t_i表示第i层的垂直旅行时，n表示层数；

根据所述均方根速度模型的表达式以及平均速度的表达式，得到地层的非均匀因子参数模型表达式为：

4.根据权利要求3所述的微地震定位方法，其特征在于，所述利用射孔事件采用常速度扫描叠加能量定位，获得射孔位置处的最佳叠加速度的步骤包括：

根据观测系统和目标区域确定微地震事件定位成像范围；

根据工区速度范围，以预设常速度对射孔事件进行扫描叠加定位，将最小定位误差结果对应的速度值作为射孔位置处的最佳叠加速度。

5.根据权利要求4所述的微地震定位方法，其特征在于，所述获得射孔位置处的最佳叠加速度的步骤包括：

水平层状介质假设条件下的初至到时采用如下公式表示：

其中，h表示震源到检波点的水平距离，z表示震源深度，τ₀表示震源的发震时刻；

零偏移距的检波器的初至到时采用如下公式表示：

根据所述非均匀因子参数模型表达式，水平层状介质假设条件下的初至到时表达式以及零偏移距的检波器的初至到时，得到由均方根速度和非均匀因子表达的到时表达式：

对于可见波形的射孔事件，直接在记录上拾取初至到时t₀，利用振幅相似性算法扫描确定最佳叠加速度，所述振幅相似性算法的表达式为：

其中，Δt表示计算时窗，u_j表示第j道数据对应的观测幅值，N表示数据总的道数。

6.根据权利要求5所述的微地震定位方法，其特征在于，所述利用更新后的均方根速度模型和非均匀因子参数模型进行微地震扫描叠加定位的步骤包括：

在每一个时刻对于每一个成像网格点，根据理论走时得到各台站数据对应的振幅，再将振幅值进行叠加，所述理论走时的表达式为：

其中，

7.根据权利要求6所述的微地震定位方法，其特征在于，所述利用更新后的均方根速度模型和非均匀因子参数模型进行微地震扫描叠加定位的步骤包括：

对于扫描叠加结果，根据定位成像函数发震时刻处成像空间的最大能量值确定微地震事件定位的结果，所述定位成像函数的表达式为：

其中，A_i表示利用特征函数或者震源机制反演方法消除震源机制引起的波形极性变化影响后的幅值，(x，y，z)表示震源成像网格点。

8.根据权利要求7所述的微地震定位方法，其特征在于，所述利用更新后的均方根速度模型和非均匀因子参数模型进行微地震扫描叠加定位的步骤包括：

对于扫描叠加结果，根据最大能量值所对应的时刻和空间位置确定微地震事件的发震时刻和震源坐标，其表达式为：

其中，

表示确定的发震时刻，

表示确定的震源坐标位置。

9.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现如权利要求1-8任意一项所述微地震定位方法中的步骤。

10.一种微地震定位设备，其特征在于，包括处理器，适于实现各指令；以及存储介质，适于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行权利要求1-8任意一种微地震定位方法中的步骤。

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