CN117687077B

CN117687077B - 利用das和检波器混合阵列监测微震的方法和系统

Info

Publication number: CN117687077B
Application number: CN202311650833.8A
Authority: CN
Inventors: 王春蕾
Original assignee: Guangruan Beijing Technology Co ltd
Current assignee: Guangruan Beijing Technology Co ltd
Priority date: 2023-12-05
Filing date: 2023-12-05
Publication date: 2024-05-03
Anticipated expiration: 2043-12-05
Also published as: CN117687077A

Abstract

本发明公开了一种利用DAS和检波器混合阵列监测微震的系统和方法，包括：使用分布式声波传感器测量的信号，使用波形相似法获取震源位置，得到震源距离和深度。沿光纤或在光纤尾端布设三分量检波器，计算偏振角，得到方位信息。根据光纤传感器和三分量检波器得到的结果进行综合计算，得到微震事件三维空间位置。本发明的优点是：定位精度高，具有高准确性和可靠性，能够实时监测，提高了监测的全面性和有效性，成本低。

Description

利用DAS和检波器混合阵列监测微震的方法和系统

技术领域

本发明涉及微震监测技术领域，特别涉及一种利用分布式声波传感器和检波器混合阵列微震监测系统和方法。

背景技术

分布式声波传感(DAS,Distributed Acoustic Sensing)的工作原理：DAS是一种传感技术，它通过收集和分析地面或井下产生的声音，这些声波会被光纤捕捉到。利用相干光时域反射测量的原理，将相干短脉冲激光注入到光纤中，当有外界振动作用于光纤上时，由于弹光效应，会微小地改变纤芯内部结构，从而导致背向瑞利散射信号的变化，使得接收到的反射光强发生变化，通过检测井下事件前后的瑞利散射光信号的强度变化。

传统的微震监测分为地面监测和井下监测。在井下监测中，高灵敏度传感器部署在靠近震源的钻孔中，以便在靠近阵列的地方记录更多微震事件，以最大限度地减少信号衰减和背景噪声。这可以检测小震级微震活动，其信噪比足以从稀疏检波器阵列确定源位置。最终检测范围仅限于监测位置周围的区域。

利用传统检波器的监测数据，记录传感器和微震位置之间的方向为由直接P波和/或S波到达的粒子运动确定。

但是利用传统检波器具有以下缺点：

1、布设检波器数目少时，使用井中单一垂直检波器排列，定位误差大，垂直方向定位误差十几米，水平方位误差几十米，使用地面二维检波器排列，垂向方位定位误差大于40米，水平方位误差在10米左右。

2、布设检波器数量多，定位误差会降低，但布设检波器的成本会上升。

使用波形叠加法，对每个波形进行叠加，不依赖于P波或S波的初至。

该方法使用波形进行叠加。在数据处理环节，使用P波进行计算，在计算时叠加波形的振幅值。但是振幅值有正有负，如果简单叠加会出现抵消的情况，该方法在计算之前选择使用走时校正振幅的极性，提高计算结果的准确性。

但是，波形叠加法使用传统三分量检波器，布设成本较高。

使用普通波形叠加法进行波形的叠加，单个事件记录的幅度在不同检波器上具有不同的极性和振幅，如果不进行极性的校正，直接叠加会出现正振幅和负振幅的互相抵消，进行的改进方法是使用极性校正后的振幅进行叠加，但是会引入噪声，局部奇异值的振幅会影响波形的信噪比。具体来讲，只有少数甚至一个高振幅噪声迹线可能会导致高叠加振幅，表明出现虚假检测，即所谓的“误报”。

发明内容

本发明针对现有技术的缺陷，提供了一种利用DAS和检波器混合阵列监测微震的方法和系统。

为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案如下：

一种利用DAS和检波器混合阵列监测微震的方法，是在利用DAS和检波器混合阵列监测微震的系统上实现的；

所述利用DAS和检波器混合阵列监测微震的系统，包括：分布式声波传感器和检波器；

混合阵列布设方式如下：

分布式声波传感器的光纤水平布设在地表上，光纤标距为3m，三分量检波器沿光纤等间隔布设在水平地表；

或者，混合阵列布设方式如下：

分布式声波传感器的光纤垂直布设，沿垂直井方向，在光纤尾端布设3-5个三分量检波器，在井下的光纤，标距为3m；

所述利用DAS和检波器混合阵列监测微震的方法包括以下步骤：

步骤一，通过三分量检波器中的两个水平分量X和Y进行震源方位角的计算；使用互相关算子计算X分量和震源之间的夹角θ，并将其转换为相对于北向的方位角φ_r；

通过检查第一个初至点的极性，消除可能存在的两个潜在的检波器趋势，以消除歧义；

在存在任意偏差的观测井中，通过考虑与偏差相切的线l来解决问题，这需要使用球坐标参数井的倾角θ_w和井的水平方向φ_w，以及检波器的坐标x_r,y_r,z_r；

所述偏差相切的线l，利用球坐标，用参数化的方式表达为：

式中，θ_w为井相对于垂直方向的倾斜角度；

φ_w为井相对于正x轴的水平方向的角度；

x_r,y_r,z_r为检波器在三维空间中的坐标，分别表示x、y和z坐标；

利用参数l的方向定义一个垂直于井的平面，并在该平面上引入伪x、y和z轴，建立一个相对于井在某一点的坐标系；

为了进行地震检波器方向的分析，必须将震源坐标投影到定义的平面上，通过计算源坐标和伪x和y轴的内积来实现，并定义了一个伪源-检波器方位角φ_s'；最后，将φ_s'加到θ上将得到检波器方向相对于伪y轴方位角；

步骤二，使用分布式声波传感器监测数据，在垂直剖面上进行相似系数S(k)的计算，并建立震源扫描网格；震源扫描网格的基本思想是将空间划分成规则的网格，根据检测到的到时进行波形校正，并通过相似系数S(k)来确定震源位置；

根据三分量检波器计算的方位信息，得到最终的震源坐标。

进一步地，震源方位角的计算如下式：

是零滞后的互相关算子，Y'表示Y的复共轭。

进一步地，所述转换为相对于北向的方位角φ_r，公式如下：

φ_s是垂直井时的震源方位角；对于垂直井，通过将θ添加到源-检波器方位角φ_s相对于正北的角度来实现，并且假设检波器的水平分量在x-y平面；因此，在解震源-检波器方位角时，需使用震源位置的x和y坐标，如下所示：

进一步地，计算所述相似系数S(k)的公式如下：

式中,f_ij是第i道第j个采样点，M是参与计算的地震道数目，N为时窗大小，k为时窗中心位置。

进一步地，所述震源扫描网格的基本思想是把空间划分成规则的网格，在震源扫描网格中，以每个划分的网格为基本单元，在基本单元网格中，根据检波器拾取的到时，以最早到的初至时间为标准，进行波形校正，把时差对每个波形进行整体偏移，调整时差之后，使用公式7的相似函数计算，在不同震源扫描网格中进行滑动网格计算，其相似函数取最大值时，网格中的位置是震源位置；通过比较计算出的S(k)值，可以判断震源位置。

进一步地，计算得到最终的震源坐标，公式如下：

式中，(x₁,y₁,z₁)为某一特定垂直剖面中的震源位置坐标，(x₂,y₂,z₂)是计算得到的最终的震源坐标。

进一步地，在步骤二之后，计算出震源定位的均方根误差ΔT_RMS和速度加权的均方根误差E_RMS，评估定位结果震源位置的准确性和可靠性，具体计算公式如下：

震源定位测量的走时与理论走时之间的误差，计算方法如公式9；

定位误差是已知地层速度模型的情况下进行计算，计算方法如公式10，

式中，N^P为P波在分布式声波传感器阵列中到达的数量，N^S是S波在分布式声波传感器阵列中到达的数量；ΔT_i ^P是各道P波的监测实际走时与理论走时的误差，ΔT_i ^S是各道S波的监测实际走时与理论走时的误差；

式中，V^P是地层中P波速度，V^S是地层中S波速度。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1.高定位精度：通过使用三分量检波器计算震源方位角，并结合分布式声波传感器监测数据，在垂直剖面上计算相似系数来确定震源位置，可以实现高精度的微震监测和定位。

2.准确性和可靠性：通过计算均方根误差来评估监测结果的准确性和可靠性，从而提高监测数据的可信度和实用性。

3.实时监测：该方法可以实时监测并定位微震活动，有助于实时掌握掌握地下微震活动情况，分析压裂裂缝扩展情况，提供了重要的实时监测和预警手段。

4.综合利用多种数据：该方法结合了三分量检波器和分布式声波传感器监测数据，综合利用多种数据，提高了监测的全面性和有效性。

5.成本低：布设方式简单，易于实现，且应用环境广泛，没有限制。

附图说明

图1是本发明实施例合阵列微震监测系统技术路线图。

图2是本发明实施例混合阵列水平方式布设图。

图3是本发明实施例混合阵列垂直方式布设图。

图4是本发明实施例混合阵列水平布设时的震源扫描网格示意图。

图5是本发明实施例混合阵列垂直布设时的震源扫描网格示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下根据附图并列举实施例，对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，一种利用DAS和检波器混合阵列监测微震的系统，包括：分布式声波传感器和检波器；

混合阵列布设方式有两种：

如图2所示，分布式声波传感器的光纤水平布设在地表上，三分量检波器沿光纤均匀分布，例如2km的水平光纤，标距为3m(等价于3m一个检波器)，三分量检波器每隔200m布设一个，主要是为了控制三分量检波器可以接受到震源信号，为定位微震事件提供方位角信息。

如图3所示，分布式声波传感器的光纤垂直布设，沿垂直井方向，在光纤尾端布设3-5个三分量检波器，在井下的光纤，标距仍然设置为3m(等价于3m一个检波器)，三分量检波器用于为定位微震事件提供方位角信息。

一种混合阵列微震监测方法，包括下面步骤：

一、根据三分量检波器监测的数据，极化震源方位角：

X和Y是三分量检波器中的两个水平分量，可根据XY水平分量进行震源方位角的计算：

是零滞后的互相关算子，互相关的计算公式如式2，θ是X分量和震源之间的夹角。

互相关在本质上是两个函数做内积运算。即向量内积的连续形式。其在线性空间角度上的意义是：一个向量在另一个向量上的投影，内积结果越大，投影越大，两个向量间夹角越小，方向越一致，相似度越高。

如果是垂直井，这个角度可以转换为相对于北向的方位角φ_r：

φ_r＝φ_s+θ (3)

φ_s是垂直井时的震源方位角。对于垂直井，可以通过将θ添加到源-检波器方位角(φ_s)相对于正北的角度来实现，并且假设检波器的水平分量在x-y平面。因此，在解震源-检波器方位角时，只需使用震源位置的x和y坐标即可，如下所示：

此外，由于方程1只能产生±90°之间的角度，将存在两个潜在的检波器趋势，它们相隔180度；通过检查第一个初至点的极性，可以消除这种歧义。如果观测井存在任意偏差，那么在井的任何点，特别是在检波器位置，需要考虑一条与偏差相切的线l。利用球坐标，用参数化的方式表达为：

θ_w(井的倾角)：井相对于垂直方向的倾斜角度。

φ_w(井的水平方向)：井相对于正x轴的水平方向的角度。

x_r,y_r,z_r(检波器的坐标)：检波器在三维空间中的坐标，分别表示x、y和z坐标。

使用参数l的方向(在方程5的第一项中的向量)来定义一个垂直于井的平面。在这个平面上，引入了伪x、y和z轴。这些轴的选择是通过参数l的方向来确定的，这样就能够建立一个相对于井在某一点的坐标系。

为了进行地震检波器方向的分析，必须将震源坐标投影到上述定义的平面上。这可以通过计算由源坐标x_s、y_s和z_s形成的向量与方程6中定义的伪x和y轴的内积来实现。然后通过在方程4中用投影震源坐标x_s'和y_s'替换实际源坐标，定义了一个伪源-检波器方位角φ_s'；最后，将φ_s'加到θ上将得到检波器方向方位角，相对于伪y轴。请注意，方程6将在井为垂直井的情况下(即θ_w＝0°，φ_w被选择为-90°)正确生成真实坐标。

二、使用三分量检波器监测的数据可以计算出震源的方位信息，下面使用分布式声波传感器计算震源的深度和距离。

与简单的波形直接叠加方法相比，本发明还可以检测较低信噪比事件，因为它基于信号一致性而不是信噪比本身，使用分布式声波传感器进行波形相似叠加，亮度函数即相似系数S(k)：

对于特定的时窗,f_ij是第i道第j个采样点，M是参与计算的地震道数目，N为时窗大小，k为时窗中心位置。若所有的地震道数值相同，则S(k)＝1。S(k)的取值范围是0到1，但通常等于1的情况太过理想，可以认为整个时空中的亮点函数取最大值时是地震发生的位置和事件发生的时刻。

使用分布式声波传感器监测的数据，在垂直剖面进行相似系数的计算，在某一特定的垂直剖面下建立震源扫描网格，混合阵列有两种布设方式，震源扫描网格如图4、图5所示；

震源扫描网格的基本思想是把空间划分成规则的网格，在震源扫描网格中，以每个划分的网格为基本单元，在基本单元网格中，根据检波器拾取的到时，以最早到的初至时间为标准，进行波形校正，把时差对每个波形进行整体偏移，调整时差之后，使用公式7的相似函数计算，在不同震源扫描网格中进行滑动网格计算，其相似函数取最大值时，网格中的位置是震源位置。如果是真实震源，那么到时最早的检波器应该是距离震源位置最近的，如图5所示，假设时差是3ms，那么使用3ms的时差去校正其他检波器接收到的信号，其计算波形相似性的值就会比较大。如果不是真实震源位置，那么在做时差校正后，波形在时间上是有到时差的，其波形相似性的值就会比较小，通过比较计算出的S(k)值，可以判断震源位置。

根据压裂设计方案，震源扫描网格包含压裂区域，已知压裂区域的坐标范围，震源扫描网格的坐标范围已知，根据网格划分的大小，计算出的震源网格的坐标也是已知的。根据三分量检波器计算的方位信息，最终三维空间中的震源位置为：

(x₁,y₁,z₁)为某一特定垂直剖面中，震源位置坐标，(x₂,y₂,z₂)是根据三分量检波器计算出的方位信息，计算得到的最终的震源坐标。

三、震源定位误差的分析方法：

定位误差是已知地层速度模型的情况下进行计算，计算方法如公式10：

N^P为P波在分布式声波传感器阵列中到达的数量，N^S是S波在分布式声波传感器阵列中到达的数量。ΔT_i ^P是各道P波的监测实际走时与理论走时的误差，ΔT_i ^S是各道S波的监测实际走时与理论走时的误差。

V^P是地层中P波速度，V^S是地层中S波速度。

上述根据本发明的方法可在硬件、固件中实现，或者被实现为可存储在记录介质(诸如CD ROM、RAM、软盘、硬盘或磁光盘)中的软件或计算机代码，或者被实现通过网络下载的原始存储在远程记录介质或非暂时机器可读介质中并将被存储在本地记录介质中的计算机代码，从而在此描述的方法可被存储在使用通用计算机、专用处理器或者可编程或专用硬件(诸如ASIC或FPGA)的记录介质上的这样的软件处理。可以理解，计算机、处理器、微处理器控制器或可编程硬件包括可存储或接收软件或计算机代码的存储组件(例如，RAM、ROM、闪存等)，当所述软件或计算机代码被计算机、处理器或硬件访问且执行时，实现在此描述的混合阵列微震监测方法。此外，当通用计算机访问用于实现在此示出的处理的代码时，代码的执行将通用计算机转换为用于执行在此示出的处理的专用计算机。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种利用DAS和检波器混合阵列监测微震的方法，其特征在于：所述方法是在利用DAS和检波器混合阵列监测微震的系统上实现的；

混合阵列布设方式如下：

或者，混合阵列布设方式如下：

所述偏差相切的线l，利用球坐标，用参数化的方式表达为：

式中，θ_w为井相对于垂直方向的倾斜角度；

φ_w为井相对于正x轴的水平方向的角度；

根据三分量检波器计算的方位信息，得到最终的震源坐标。

2.根据权利要求1所述的一种利用DAS和检波器混合阵列监测微震的方法，其特征在于：震源方位角的计算如下式：

是零滞后的互相关算子，Y'表示Y的复共轭。

3.根据权利要求2所述的一种利用DAS和检波器混合阵列监测微震的方法，其特征在于：所述转换为相对于北向的方位角φ_r，公式如下：

φ_r＝φ_s+θ (3)

4.根据权利要求3所述的一种利用DAS和检波器混合阵列监测微震的方法，其特征在于：计算所述相似系数S(k)的公式如下：

5.根据权利要求4所述的一种利用DAS和检波器混合阵列监测微震的方法，其特征在于：所述震源扫描网格的基本思想是把空间划分成规则的网格，在震源扫描网格中，以每个划分的网格为基本单元，在基本单元网格中，根据检波器拾取的到时，以最早到的初至时间为标准，进行波形校正，把时差对每个波形进行整体偏移，调整时差之后，使用公式7的相似函数计算，在不同震源扫描网格中进行滑动网格计算，其相似函数取最大值时，网格中的位置是震源位置；通过比较计算出的S(k)值，可以判断震源位置。

6.根据权利要求5所述的一种利用DAS和检波器混合阵列监测微震的方法，其特征在于：计算得到最终的震源坐标，公式如下：

7.根据权利要求6所述的一种利用DAS和检波器混合阵列监测微震的方法，其特征在于：在步骤二之后，计算出震源定位的均方根误差ΔT_RMS和速度加权的均方根误差E_RMS，评估定位结果震源位置的准确性和可靠性，具体计算公式如下：

式中，N^P为P波在分布式声波传感器阵列中到达的数量，N^S是S波在分布式声波传感器阵列中到达的数量；是各道P波的监测实际走时与理论走时的误差，/>是各道S波的监测实际走时与理论走时的误差；

式中，V^P是地层中P波速度，V^S是地层中S波速度。