CN113253335B - 地面微地震观测装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种地面微地震观测装置，应用于微地震技术领域，包括：采集装置、交叉站、采集链和主机；其中，所述采集装置由检波器阵列构成；所述检波器阵列呈放射状，并且每条射线均为宽线采集；所述检波器阵列中的检波器与检波器通过所述采集链连接；所述检波器接收到的震动信号转换成数字信号通过采集链进行传输；所述交叉站连接不同的采集链，并将所有检波器接收到的数据传回主机。本发明提供了一种地面微地震观测装置及方法，本发明使得相邻道叠加结果能够起到压制干扰、提高资料的信噪比的作用，用叠加后的资料做处理提高微地震事件定位精度，在放射状测线的端点处，布设蜂窝状阵列，平衡工区范围内检波器的分布密度。

Description

地面微地震观测装置及方法
技术领域
本发明涉及微地震技术领域，更具体的说是涉及地面微地震观测装置及方法。
背景技术
目前国内常用的微地震监测方法有三种：地面微地震监测、井中微地震监测以及浅井监测。井中微地震监测通常在井网密集区域应用，对监测距离、监测井井况要求较高；浅井监测一般用于某一区域的长期监测，检波点数量较少，在定位精度上比逊色于地面监测。
观测系统的空间布置是影响地面微地震监测效果和定位精度的关键性因素，但是国内针对观测系统布设方式进行的研究较少。
目前用于生产的地面微地震监测的观测系统主要分为三种：
(1)放射状观测系统布设方式是目前地面微地震监测应用最广泛的观测系统布设方式，相同检波器数量下，该方式收敛效果最好，仪器利用率较高，兼顾了成本和数据的可靠性。余洋洋等对放射状观测系统的道距、接收线数、线长等参数进行了测试，为放射状观测系统的优化提供了参考。
(2)国内开始微地震监测试验初期，试验了网格状布设方式，该布设方式检波器使用数量较大，没有进行广泛使用；
(3)针对某些微地震监测区域信噪比较低的情况，美国近年来尝试了补丁状的观测系统。通过对野外噪声进行调查，优选补丁状检波器的布设位置，提高微地震资料采集的信噪比，有利于微地震事件的识别和定位。在此思想的基础上，国内发展了蜂窝状阵列，该阵列内检波器排列方式与蜂窝类似，阵列形状为六边形，可以通过叠加进行有效地噪声去除。但是蜂窝阵列在工区内的布设较为稀疏，对微地震事件精度的控制能力低于放射状排列、且排列布设比较困难，难以大规模用于实际生产。
因此，如何提供一种对于微地震时间精确把控，并且监测效果良好的地面微地震观测装置及方法是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种地面微地震观测装置及方法，本发明使得相邻道叠加结果能够起到压制干扰、提高资料的信噪比的作用，用叠加后的资料做处理提高微地震事件定位精度，在放射状测线的端点处，布设蜂窝状阵列，平衡工区范围内检波器的分布密度。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种地面微地震观测装置，包括：采集装置、交叉站、采集链和主机；其中，所述采集装置由检波器阵列构成；所述检波器阵列呈放射状，并且每条射线均为宽线采集；所述检波器阵列中的检波器与检波器通过所述采集链连接；所述检波器接收到的震动信号转换成数字信号通过采集链进行传输；所述交叉站连接不同的采集链，并将所有检波器接收到的数据传回主机。
优选的，在上述的一种地面微地震观测装置中，还包括蜂窝状检波器阵列；所述蜂窝状检波器阵列设置在所述检波器阵列的自由端。
优选的，在上述的一种地面微地震观测装置中，所述交叉站，用于向检波器阵列或邻近的其它交叉站转发主机的命令。
优选的，在上述的一种地面微地震观测装置中，每个所述采集装置包括至少四条采集通道，且每条所述采集通道由两条检波器阵列构成。
优选的，在上述的一种地面微地震观测装置中，所述检波器阵列由N×M个检波器构成，其中，N和M为正整数。
一种地面微地震观测方法，具体步骤包括：
收到由主机给出的命令后，开始进行地震数据采集；
将采集到的地震微弱信号进行放大、滤波处理后打包传送给交叉站；
交叉站作为测线和交叉线的数据交换节点，管理测线上的检波器，将收集到的数据打包发送给主机，每个交叉站通过两侧的采集链接口串行连接各个检波器；
主机完成对各交叉站的任务分配管理和地震数据的收集、处理和存储记录工作，并通过交叉站给两侧的检波器发送数据采集的命令。
优选的，在上述的一种地面微地震观测方法中，每个所述采集装置包括至少四条采集通道，且每条所述采集通道由两条检波器阵列构成；获取数据后对不同道接收到的数据进行叠加。
优选的，在上述的一种地面微地震观测方法中，所述不同道数据叠加方法包括但不限于：线性组合、方型组合以及不规则组合方式。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种地面微地震观测装置及方法，本发明使得相邻道叠加结果能够起到压制干扰、提高资料的信噪比的作用，用叠加后的资料做处理提高微地震事件定位精度，在放射状测线的端点处，布设蜂窝状阵列，平衡工区范围内检波器的分布密度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明的整体结构框图；
图2附图为本发明的检波器布设示意图；
图3附图为本发明的另一实施例中检波器布设示意图；
图4附图为本发明的方法流程图；
图5附图为本发明的地面微地震监测处理流程图；
图6附图为本发明的某微地震监测项目中原始道集及其叠加剖面示意图；
图7(a)-(c)附图为本发明的线性组合、方型组合以及不规则组合方式示意图；
图8(a)-(c)附图为本发明的不同组合参数的方型组合方式示意图；
图9(a)-(c)附图分别为原始道集记录示意图、2*2规格的方型叠加后的道集记录示意图、2*3规格的方型叠加后的道集记录示意图；
图10附图为不同组合方式资料信噪比柱状图；
图11附图为常规处理方法下事件识别界面示意图；
图12(a)-(b)分别为同一弱信号在2*3组合方式下的成像示意图、同一弱信号在1*6组合方式下的成像示意图；
图13(a)-(c)分别为常规处理、1*6线性组合方式、2*4面积组合方式处理后获取的微地震事件示意图；
图14(a)-(b)分别为1*6线性组合方式、2*4面积组合方式识别的弱信号分布示意图；
图15为不同组合方式射孔定位误差统计柱状图；
图16(a)-(b)分别为2*3叠加组合方式识别的微地震事件示意图、常规处理方法获取的微地震事件示意图；
图17(a)-(b)分别为2*3叠加组合识别的天然裂缝延伸方向示意图、常规处理方法识别的天然裂缝延伸方向示意图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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，本领域普通技术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。
本发明实施例公开了一种地面微地震观测装置，如图1-2所示，包括：采集装置、交叉站、采集链和主机；其中，所述采集装置由检波器阵列构成；所述检波器阵列呈放射状，并且每条射线均为宽线采集；所述检波器阵列中的检波器与检波器通过所述采集链连接；所述检波器接收到的震动信号转换成数字信号通过采集链进行传输；所述交叉站连接不同的采集链，并将所有检波器接收到的数据传回主机。
进一步，DSU3-428和DSU1-428为检波器型号，每个点位埋置一组检波器，检波器与检波器之间用采集链连接，检波器接收到的震动信号转换成数字信号通过采集链进行传输。交叉站(LAUX-428和LAUL-428)用于连接不同的采集链，并将所有检波器接收到的数据传回主机(LCI-428)。
为了进一步优化上述技术方案，如图3所示，还包括蜂窝状检波器阵列；所述蜂窝状检波器阵列设置在所述检波器阵列的自由端。
为了进一步优化上述技术方案，所述交叉站，用于向检波器阵列或邻近的其它交叉站转发主机的命令。
为了进一步优化上述技术方案，每个所述采集装置包括至少四条采集通道，且每条所述采集通道由两条检波器阵列构成。
为了进一步优化上述技术方案，所述检波器阵列由N×M个检波器构成，其中，N和M为正整数。
一种地面微地震观测方法，如图4所示，具体步骤包括：
收到由主机给出的命令后，开始进行地震数据采集；
将采集到的地震微弱信号进行放大、滤波处理后打包传送给交叉站；
交叉站作为测线和交叉线的数据交换节点，管理测线上的检波器，将收集到的数据打包发送给主机，每个交叉站通过两侧的采集链接口串行连接各个检波器；
主机完成对各交叉站的任务分配管理和地震数据的收集、处理和存储记录工作，并通过交叉站给两侧的检波器发送数据采集的命令。
进一步，采用428XL数字地震仪器进行数据采集，采样间隔2ms。在压裂时，数字地震仪连续采集，接收数据实时传输到现场处理工作站进行资料实时处理。
由于受岩性、围岩应力、流体压力、地层局部构造等诸多因素影响，水力压裂产生的破裂时间、大小和位置均不受控制；压裂期间微震事件一直在发生，微地震监测只能被动接收整个过程，压裂结束后还继续监测半个小时；为了处理数据方便，将地面微地震记录15s自动形成一个数据文件，以实现实时传输和定位、实时反映裂缝分布情况、指导压裂生产过程。
检波器检测到的数据通过高速光纤传输线将数据实时传至采集车内数据记录系统，并输出至NAS网盘，每15s在NAS盘存储一个SEG-D文件。处理人员通过服务器实时访问NAS 网盘读取数据，进行实时处理及质量控制，并将微地震事件定位结果文件输出，解释人员通过局域网访问定位结果，并在压裂指挥中心实时显示与解释。
为了进一步优化上述技术方案，每个所述采集装置包括至少四条采集通道，且每条所述采集通道由两条检波器阵列构成；获取数据后对不同道接收到的数据进行叠加。
通常放射状测线布设的微地震数据处理流程如图5所示。通过射孔和导爆索信号对初始速度模型进行修正，得到精确的速度模型和静校正量。对压裂过程中记录的数据进行频谱分析、去噪等预处理，应用静校正量模型，用震源扫描叠加的定位方法对事件进行定位。
针对宽线观测系统，在处理过程中通过相邻道叠加的方法来提高资料的信噪比，增强弱事件的识别能力、提高微地震事件定位精度。如图6为某项目中采集到的数据及其叠加效果，从原始数据剖面上看，微地震资料的干扰较为严重，资料信噪比不高，通过对相邻道进行叠加(左侧红色方框内为右侧数据叠加结果)，叠加后的道集信噪比得到了有效提升，说明叠加方式能够有效地压制噪音、提高资料信噪比。
为了进一步优化上述技术方案，所述不同道数据叠加方法包括但不限于：线性组合、方型组合以及不规则组合方式。
相邻道分组叠加方式有多种，不同的分组方式对噪声类型和噪声能量的压制有不同的效果。根据分组方式的不同，可以分为线性组合、方型组合以及其他不规则组合三种方式，如图7(a)-(c)，在宽线+放射状观测系统中选取一条测线的排列方式作为示例，图中绿色圆圈代表检波器，红色框代表不同的组合方式，将方框内的不同道接收到的数据进行叠加达到压制干扰的效果。
在不同的组合类型中，对不同组合参数的叠加效果进行分析，例方型性组合有2*1、 2*2、2*3等多种组合参数。如图8(a)是2*1的方型组合方式，在相邻宽线中每条线选取一道数据，将这两道数据进行叠加；图8(b)2*2为在每条线选取相邻的两道数据数据，将4道数据的进行叠加；图8(c)2*3为在每条线选取相邻的三道数据数据，将6道数据进行叠加。通过测试不同的组合类型和组合参数对于资料信噪比的提升能力，获取适合本工区的叠加参数。
对本观测系统的效果评估内容包括两个方面：一是本观测系统及相应处理方法对于资料信噪比的提升效果；二是评估本观测系统及处理方法对于微地震事件定位精度的影响。
本次评估的对照观测系统为普通的放射状观测系统，将每条测线的宽线拆解为两条测线，即形成了20条测线的放射状观测系统，处理方法和流程与普通放射状观测系统一致。
对宽线观测系统应用效果的评估从道集、成像、定位结果等多个方面进行：
(1)对比原始道集和叠加道集资料同相轴连续性、资料信噪比等参数
(2)对比同一事件的成像信噪比
(3)对比不同处理方法监测到的事件数量
(4)对比同一射孔的定位误差
1、对比原始道集和叠加道集资料同相轴连续性、资料信噪比等参数
对于信噪比较高的微地震信号，在原始道集和叠加道集上均能清晰地进行同相轴的识别，对比分析的意义不大；对于弱信号，通过同相叠加可以有效地提高资料的信噪比、提高信号识别能力。如图9(a)-图9(c)，图9(a)为原始道集记录，在黑色方框中能够隐约识别微地震事件同相轴，同相轴能量较弱，通过叠加后同相轴能量有明显增强(见图9(a)-图9(c)下黑色方框)，微地震信号更容易识别。
为了更直观地体现宽线组合叠加的优势，对不同组合方式的叠加道集进行了信噪比分析(表1)，并绘制了柱状图(图10)。
表1不同组合方式资料信噪比分析
Figure GDA0003755916820000051
Figure GDA0003755916820000061
从柱状图分布可以总结以下特征：(1)不管是哪种组合方式和参数，叠加后的道集信噪比均高于原始道集；(2)对于面积组合方式，叠加后资料信噪比随着组合内检波器道数增加呈现出前期明显提升、后期保持平稳的特征；(3)而线性组合方式，随着检波器数量的增加，柱状图前期呈现出上升趋势，当检波器数量大于6之后有呈现出略微下降的特点。当检波器数量大于6，本次监测道间距为30，监测距离超过150m之后，由于地表岩性、高程等发生变化，静校正量存在一定的误差，同相叠加难度加大，导致信噪比有所下降。2、对比同一事件的成像信噪比
在处理过程中，通过针对宽线的叠加处理方法识别了更多的微地震事件，某些弱信号运用常规处理方法是无法识别的，但是通过组合叠加能够进行有效识别。如图11为处理过程中的某个信号，运用常规处理方法判断改时间为一个不可靠的假事件，因为它具有以下特点： (1)能量不能很好地聚焦；(2)成像信噪比低，仅为1.3；(3)原始道集和左侧的叠加显示道集上无同相轴显示。
针对该信号，测试了不同组合叠加处理方法，结果如下表：
表2不同组合方式弱信号成像结果统计
Figure GDA0003755916820000062
Figure GDA0003755916820000071
图12(a)-(b)示意了其中两种方式的成像效果(2*3组合方式和1*6组合方式)：(1)两种方式能量均可聚焦，道集上隐约可见同相轴能量；(2)2*3组合叠加方式事件成像信噪比为17.5，信噪比高于1*6组合方式(成像信噪比12.4)。
3、对比不同处理方法监测到的事件数量
对本项目所有数据进行了重新处理，经过叠加后识别了更多弱信号，不同组合状态下获取的总事件数量如下：
表3不同组合方式识别微地震事件数量统计表
Figure GDA0003755916820000072
Figure GDA0003755916820000073
从统计表中可以看出，线性组合中1*6组合参数获取的微地震事件数量最多，面积组合中2*4组合方式获取的事件数量最多。图13(a)-(c)示意了常规处理、1*6线性组合方式、 2*4面积组合方式处理后获取的微地震事件。从整体事件形态、单段缝网波及范围、缝网延伸方向等多方面，处理结果具有一定的相似性，对于常规缝网解释均能够满足监测需求。宽线处理方式能够识别更多的弱信号，对缝网的描述和刻画更加细致。
为了方便与常规处理方法结果的对比，将1*6线性组合方式和2*4面积组合方式多识别的弱事件在图14(a)-(b)中进行了展示。
4、对比同一射孔的定位误差
通过不同的处理方法和参数对射孔进行重新定位，统计了平均空间定位误差，见表 4、图15。图15用不同的颜色标示了不同处理方法和组合方法下射孔定位误差，应用了适用于宽线的处理方法之后，射孔误差(橙色和绿色)有明显下降。同时面积组合方式(绿色)误差要明显小于线性组合方式(橙色)，宽线处理方法定位精度有一定的提升。
表4不同组合方式射孔定位误差统计表
Figure GDA0003755916820000081
Figure GDA0003755916820000082
定位精度的提升对于缝网发育的细致描述有重要作用，以第3段为例，其中第3段为压裂是分段中的一段，图16(a)-(b)展示了不同处理方法得到的事件定位结果。
本段压裂过程中激活了压裂段附近的小型天然裂缝，在井筒西侧形成了微地震事件密集条带，因此可以通过微地震事件聚集位置推测天然裂缝的具体位置和规模。图17(a)-图17(b)在不同处理结果上标注了天然裂缝的位置、长度和方向。两者的发育位置基本一致，均发育在第三段；但是在长度和方向上有轻微差别。图17(a)中识别的天然裂缝的发育长度为 140m，延伸方向与北方向夹角120°；图17(b)中识别的天然裂缝长度150m，和北方向夹角为113°。
综上所述，1、宽线采集处理方法是有效地。宽线资料处理过程中，通过在处理流程中引入叠加方法，可以有效地提升资料信噪比，用宽线的采集和合适的处理方法，能够获取更多的裂缝破裂信息，得到更好的监测效果；
2、处理方法中选择合适的组合叠加方式比较重要，总体来说，面积组合方式比线性组合方式得到的资料信噪比和定位精度更高。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (2)

1.一种地面微地震观测方法，其特征在于，应用于一种地面微地震观测装置，所述地面微地震观测装置包括：采集装置、交叉站、采集链和主机；其中，所述采集装置由检波器阵列构成；所述检波器阵列呈放射状，并且每条射线均为宽线采集；所述检波器阵列中的检波器与检波器通过所述采集链连接；所述检波器接收到的震动信号转换成数字信号通过采集链进行传输；所述交叉站连接不同的采集链，并将所有检波器接收到的数据传回主机；
所述地面微地震观测装置，还包括蜂窝状检波器阵列；所述蜂窝状检波器阵列设置在所述检波器阵列的自由端；
所述交叉站，用于向检波器阵列或邻近的其它交叉站转发主机的命令；
每个所述采集装置包括至少四条采集通道，且每条所述采集通道由两条检波器阵列构成；
所述检波器阵列由N×M个检波器构成，其中，N和M为正整数；
所述地面微地震观测方法，具体步骤包括：
采集装置收到由主机给出的命令后，开始进行地震数据采集；
将采集到的地震微弱信号进行放大、滤波处理后打包传送给交叉站；
交叉站作为测线和交叉线的数据交换节点，管理测线上的检波器，将收集到的数据打包发送给主机，每个交叉站通过两侧的采集链接口串行连接各个检波器；
主机完成对各交叉站的任务分配管理和地震数据的收集、处理和存储记录工作，并通过交叉站给两侧的检波器发送数据采集的命令；
每个所述采集装置包括至少四条采集通道，且每条所述采集通道由两条检波器阵列构成；获取数据后对不同道接收到的数据进行相邻道叠加，其中，每个点位埋置一组检波器；
地面微地震观测装置还包括蜂窝状检波器阵列，蜂窝状检波器阵列设置在放射状测线的自由端处，平衡工区范围内检波器的分布密度。
2.根据权利要求1所述的一种地面微地震观测方法，其特征在于，不同道数据叠加方法包括：线性组合、方型组合以及不规则组合方式。
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