基于波形互相关系数相乘的微震偏移成像定位方法转让专利
申请号 : CN201810366402.1
文献号 : CN110389377B
文献日 : 2020-11-27
发明人 : 张建中 , 曾志毅
申请人 : 中国海洋大学
摘要 :
本发明涉及一种基于波形互相关系数相乘的微震偏移成像定位方法，属于油气储层压裂微震监测技术领域。其包括如下步骤：实际微震数据预处理；地下成像点划分，计算所有成像点到地面各个接收点的旅行走时；针对某一个成像点，消除该成像点到不同接收点的到时差，计算时差校正后的微地震记录的互相关系数；计算该成像点的互相关能量值E；重复第三步和第四步获得地下所有成像点的能量值E；设置能量阈值E0，得到大于阈值的能量极大值成像点位置，作为微震源的发生位置；本发明通过使用波形互相关系数相乘的形式，实现了对噪音的双重压制，极大的提高了抗噪能力；避开了初至极性对定位成像结果的干扰，具有更高的计算效率，满足微震的实时监测。
权利要求 :
1.一种基于波形互相关系数相乘的微震偏移成像定位方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)对实际微震数据进行预处理，得到有效地震道的微震数据；
(2)将监测的地下区域按一定尺度进行网格划分，每个网格设置一个成像点；利用射线追踪方法求得地下所有成像点到各个地面接收点的旅行走时；
(3)利用第二步中得到某一个成像点η到各个接收点i的旅行走时对相应的微震记录进行走时校正，消除该成像点到不同接收点的时差，然后对时差校正后的微震记录进行两两互相关，计算对应的互相关系数；
(4)将成像点对应的所有波形互相关系数进行相乘，得到该成像点的互相关能量值E；
(5)针对每一个成像点重复步骤(3)和步骤(4)，获得地下所有成像点的互相关能量值；
(6)设置能量阈值E0，则超过所设阈值的能量极大值成像点所对应的空间位置和时间参数，作为代表微震源的发生位置和发震时刻。
2.根据权利要求1所述的基于波形互相关系数相乘的微震偏移成像定位方法，其特征在于，步骤(2)中网格划分是三维网格化，在x,y,z三个坐标方向的进行划分，三个方向上的划分尺度不一定相同，将每个网格点设置为一个成像点，用基于地震走时扰动插值的射线追踪方法计算每个成像点到达地面各个接收点的旅行走时。
3.根据权利要求1所述的基于波形互相关系数相乘的微震偏移成像定位方法，其特征在于，步骤(3)中得到波形互相关系数，具体做法为：利用第二步中某一个成像点η的旅行走时作为微震信号到达各个地面接收点i的旅行走时tηi，并设微震信号的发震时刻T＝t0，则到达时刻为t＝tηi+t0，确定时间窗口宽度W，则任意两个地震道的波形互相关系数为：其中，W为所取时间窗口内的采样点个数，ui为第i个地面接收点的微震记录幅值；uj为第j个地面接收点微震记录的幅值；t0为发震时刻；tηi为地下成像点η到第i个地面接收点的旅行走时；tηj为地下成像点η到第j个接收点的旅行走时；tk为所取时间窗口内的第k个采样点时间。
4.根据权利要求1所述的基于波形互相关系数相乘的微震偏移成像定位方法，其特征在于，步骤(4)中将得到的波形互相关系数进行相乘计算得到该成像点的互相关能量值E，具体做法为：其中，E表示成像点的互相关能量值，η表示地下成像点，t0表示发震时刻，N表示地震道数，Ci，j表示第i个地震道和第j个地震道的波形互相关系数，W为所取时间窗口内的采样点个数，ui为第i个地面接收点的微震记录幅值；uj为第j个地面接收点微震记录的幅值，tηi为地下成像点η到第i个地面接收点的旅行走时，tηj为地下成像点η到第j个地面接收点的旅行走时，tk为所取时间窗口内的第k个采样点时间。
说明书 :
基于波形互相关系数相乘的微震偏移成像定位方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种基于波形互相关系数相乘的微震偏移成像定位方法，属于油气储层压裂微震监测技术领域。
背景技术
[0002] 在地面微震资料处理中，关键的步骤是要准确的识别出微震有效事件，并且要对识别出的微震有效事件进行精确定位，从而有效地指导水力压裂工作和裂隙预测工作。然而，由于地下介质的吸收作用和地面噪声的干扰，相比于井中监测相比，地面微震记录信噪比较低，致使震相难以识别和初至时间不易拾取，则限制了一些基于震相识别和到时拾取的传统定位方法的应用，使不需震相识别和到时拾取的微震偏移成像成为地面微震监测震源定位的研究热点。
[0003] 基于Kirchoff偏移成像方法包括震源扫描（source-scanning algorithm，SSA）和地震发射层析成像( seismic-emission-tomography，SET)。SSA定位方法的主要优势是不需要拾取微震到时，也不用计算理论地震图，只需通过系统扫描一定位置范围和时段，就可以获得整个震源序列分布。但是其成像的亮度函数是对波形取绝对值后叠加，在增强有效信号的同时也增强了噪声，对信噪比较低的地震资料处理效果不佳。 SET是地面微地震监测常用的一种震源定位算法，对于低信噪比的地震记录，该方法依然能够较准确的对微地震事件进行定位，但是定位精度易受到初至波极性的影响。针对SET定位方法的缺陷，通过加入震源机制极性校正项消除了初至极性的影响，并在实际应用中取得了较好的效果，但是震源机制反演参数较多，使得计算效率较低。基于互相关法的震源定位方法是利用不同地震道所接收到同震源的地震事件通常在波形上具有相似性，而随机噪音是互不相关的特点，有效地压制了噪音影响，但是同样受到初至波极性的影响，虽然可以对波形互相关系数取绝对值再叠加，既可以消除初至极性影响，又可以不受台站布设方式的影响，但是取绝对值的同时也增强噪音的影响，定位成像效果仍然不理想。因此，有必要寻找一种既不受地面微震资料信噪比低、不规则台站的布设方式和初至极性反转等因素影响，又能提高计算效率，满足地面微震信号的实时监测要求的微震定位方法。
发明内容
[0004] 针对现有技术存在的上述缺陷，本发明提出了基于波形互相关系数相乘的微震偏移成像定位方法。该方法将传统的叠加成像思想改为相乘成像，将现有的波形互相关能量叠加的成像条件改进为波形互相关能量相乘的成像条件，实现了对噪音的双重压制，较大地提高了压制噪音的能力；并且不需对初至极性进行校正，适合微地震的实时监测；也不受制于台站布设方式的影响，较好地满足了地形复杂地区的微地震监测工作。
[0005] 本发明所述的基于波形互相关系数相乘的微震偏移成像定位方法，包括如下步骤：
[0006] （1）对实际微震数据进行预处理，得到有效地震道的微震数据；
[0007] （2）将监测的地下区域在x, y, z三个坐标方向进行三维网格划分，三个方向上的划分尺度不一定相同，将每个网格点设置为成像点，用基于地震走时扰动插值的射线追踪方法计算每个成像点到达地面各个接收点的旅行时间；
[0008] （3）利用第二步中得到某一个成像点η到各个接收点i的旅行走时对相应的微地震记录进行走时校正，消除该成像点到不同接收点的时差，然后对时差校正后的微地震记录进行两两互相关，计算对应的互相关系数；
[0009] 利用第二步中某一个成像点η的旅行走时作为微震信号到达各个地面接收点i的旅行走时tηi，并设微震信号的发震时刻T=t0，则到达时刻为t=tηi+ t0，确定时间窗口宽度W，则任意两个地震道的波形互相关系数为：
[0010]
[0011] 其中，W为所取时间窗口内的采样点个数，ui为第i个地面接收点的微震记录幅值；uj为第j个地面接收点微震记录的幅值；t0为发震时刻；tηi为地下成像点η到第i个地面接收点的旅行走时；tηj为地下成像点η到第j个接收点的旅行走时；tk为所取时间窗口内的第k个采样点时间；
[0012] （4）将步骤（3）中得到的波形互相关系数进行相乘计算该成像点的互相关能量值E，计算公式为：
[0013]
[0014] 其中，N为地震道数，E（η，t0）表示成像点η在发震时刻T=t0的成像能量值；
[0015] （5）针对每一个成像点重复步骤（3）和步骤（4），获得地下所有成像点的互相关能量值E；
[0016] （6）设置一个合适的能量阈值E0，将步骤（4）中所得到的所有成像点的能量值E与能量阈值E0进行比较，通过搜寻出大于所设能量阈值的能量极大值成像点（E（η，t0）> E0）；即所有符合要求的成像点η为微震事件发生位置，所设的发震时刻t0即为微震事件的发震时刻；
[0017] 本发明的有益效果是：采用本发明所述的基于波形互相关系数相乘的微震偏移成像定位方法，（1）提高了抗噪能力。针对地面微震资料信噪比低，震相难以识别和初至不易拾取的问题，利用微震有效事件波形相似，而随机噪音不相干的特点，通过计算波形互相关函数压制噪音的影响，并且将计算得到的波形互相关系数进行相乘计算，更是对噪音的第二次压制，实现了对随机噪音的双重压制，极大地提高了抗噪能力。（2）避免了震源机制反演和微震极性判定，提高了计算效率。由于对波形互相关系数进行了相乘运算，不存在常用的叠加技术使正负极性微震波形相加抵消的问题，不需要通过反演震源机制修正初至负极性，就可以消除初至极性反转对定位精度的影响，减少了震源机制反演，提高了微震事件定位的计算效率。（3）适合于地面微震监测台站的不规则布设。当地面微震监测台站为不规则布设方式时，监测台站数目较少，常规基于叠加能量成像方法，由于台站数目较少，震源空间成像分辨率较差，利用波形互相关系数相乘的思想将震源处的能量快速“聚焦”，使震源空间成像分辨率明显提高，能够快速和准确的确定出震源位置。
附图说明
[0018] 图1是本发明的流程框图。
[0019] 图2是本发明的地面微震监测系统和速度模型，其中实心倒三角为接收点，实心小圆点为在目标成像区域内网格划分的成像点，五角星为真实震源位置。
[0020] 图3是合成的微震记录图。
[0021] 图4是加入一定程度的随机噪音后的低信噪比的微震记录图。
[0022] 图5是基于振幅叠加的微震定位方法在空间的成像结果图。
[0023] 图6是基于波形互相关系数叠加的微震定位方法在空间的成像结果图。
[0024] 图7是基于震源机制和S参数联合的微震定位方法在空间成像结果图。
[0025] 图8是基于波形互相关系数相乘的偏移成像的微震定位方法的空间成像结果图。
[0026] 图9是西南地区某一油田的地面微震监测台站位置示意图。
[0027] 图10是实际射孔的微震记录图。
[0028] 图11是常规振幅叠加的微震定位方法在Z方向上的水平面成像结果图。
[0029] 图12（a）是常规叠加的微震定位方法在XZ面的成像结果图。
[0030] 图12（b）是常规叠加的微震定位方法在YZ面的成像结果图。
[0031] 图13是基于波形互相关系数相乘的微震偏移成像定位方法在Z方向上的水平面成像结果图。
[0032] 图14（a）是基于波形互相关系数相乘的微震偏移成像定位方法在XZ面的成像结果图。
[0033] 图14（b）是基于波形互相关系数相乘的微震偏移成像定位方法在YZ面的成像结果图。
具体实施方式
[0034] 为了使本发明的特点、优势更加明显，下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述。
[0035] 步骤一：对实际微震数据进行预处理，得到有效地震道的微震数据。
[0036] 步骤二：将监测的地下区域在x, y, z三个坐标方向进行三维网格划分，三个方向上的划分尺度不一定相同，将每个网格点设置为成像点，用基于地震走时扰动插值的射线追踪方法计算每个成像点到达地面各个接收点的旅行时间。
[0037] 步骤三：利用第二步中得到某一个成像点η到各个接收点i的旅行走时对相应的微地震记录进行走时校正，消除该成像点到不同接收点的时差，然后对时差校正后的微地震记录进行两两互相关，计算对应的互相关系数。
[0038] 利用第二步中某一个成像点η的旅行走时作为微震信号到达各个地面接收点i的旅行走时tηi，并设微震信号的发震时刻T=t0，则到达时刻为t=tηi+ t0，确定时间窗口宽度W，则任意两个地震道的波形互相关系数为：
[0039]
[0040] 其中，W为所取时间窗口内的采样点个数，ui为第i个地面接收点的微震记录幅值；uj为第j个地面接收点微震记录的幅值；t0为发震时刻；tηi为地下成像点η到第i个地面接收点的旅行走时；tηj为地下成像点η到第j个接收点的旅行走时；tk为所取时间窗口内的第k个采样点时间。
[0041] 步骤四：将步骤三中得到的波形互相关系数进行相乘计算该成像点的互相关能量值E，计算公式为：
[0042]
[0043] 其中，N为地震道数，E（η，t0）表示成像点η在发震时刻T=t0的成像能量值。
[0044] 步骤五：针对每一个成像点重复步骤（3）和步骤（4），获得地下所有成像点的互相关能量值E。
[0045] 步骤六：设置一个合适的能量阈值E0，将步骤（4）中所得到的所有成像点的能量值E与能量阈值E0进行比较，通过搜寻出大于所设能量阈值的能量极大值成像点（E（η，t0）> E0）；即所有符合要求的成像点η为微震事件发生位置，所设的发震时刻t0即为微震事件的发震时刻。
[0046] 下面通过具体的实施例对本发明的效果及可靠性作进一步说明。
[0047] 实例一：模拟实验
[0048] 如图2所示，模型区域范围为2000m*2000m*4400m；速度模型由5层水平速度层组成，由上到下的速度值依次为1500m/s，2400m/s，3000m/s，4000m/s和5000m/s；深度依次为1200m，2000m，2400m，3200m和4400m；地面共布设了50个不规则分布的接收点，假设理论微震源位置坐标为（950m，950m，2725m），发震时刻t=0s。图3是通过褶积计算得到的合成微震记录，图4是加入一定程度的随机噪声后的微震记录，从图4中可以看出微震记录信噪比较低，微震事件信号识别不出来。对于地下成像点的划分，设置X和Y方向的成像区域范围为
500m 1000m，Z方向的成像区域范围为2600m 2800m，X、Y和Z三个方向的成像点间隔均为~ ~
25m。使用常规叠加的微震定位方法的震源空间成像结果如图5，图6和图7所示。由于微震记录信噪比低，初至极性发生反转和台站布设等因素的影响，常规方法的震源空间成像分辨率较低，出现了“拖尾”现象，导致不易识别出微震源发生位置。根据本发明前述流程，进行微震事件进行偏移成像定位，震源空间成像结果如图8所示。能量极大值的成像点位置明显可见，表明了震源空间成像分辨率较高，且该能量极大值所对应的成像点位置与理论微震源位置完全一致。
500m 1000m，Z方向的成像区域范围为2600m 2800m，X、Y和Z三个方向的成像点间隔均为~ ~
25m。使用常规叠加的微震定位方法的震源空间成像结果如图5，图6和图7所示。由于微震记录信噪比低，初至极性发生反转和台站布设等因素的影响，常规方法的震源空间成像分辨率较低，出现了“拖尾”现象，导致不易识别出微震源发生位置。根据本发明前述流程，进行微震事件进行偏移成像定位，震源空间成像结果如图8所示。能量极大值的成像点位置明显可见，表明了震源空间成像分辨率较高，且该能量极大值所对应的成像点位置与理论微震源位置完全一致。
[0049] 实例二：实际资料
[0050] 图9是某地区油田的地面微震监测台站位置示意图。采用了不规则分布的27个台站进行监测，将无效台站进行剔除后，选用18个有效台站进行射孔定位。图10为第一段射孔信号，其中可识别出射孔信号的台站有第7和第13个台站，其他台站所接收到的射孔信号均被噪音所淹没，射孔地震资料信噪比较低。根据本发明前述流程，进行射孔定位：根据井口位置坐标和射孔深度，划分X方向的成像区域范围为700m 1000m，Y方向的成像区域范围为~400m 0.70km，Z方向的成像区域范围为2560m 2680m；X、Y和Z方向的成像区域间隔分别为~ ~
10m，10m和20m；选用信噪比较高的第5、第7和第13个台站记录作为主地震道。图11为常规叠加的微震定位方法在Z方向上的水平成像结果示意图，从图11可见，归一化能量值在垂直方向上有逐渐集中的趋势，并且在Z=2.62km处的水平切片出现能量极大值，但是成像分辨率较低。图12（a）和图12（b）是常规叠加的微震定位方法在XZ面和YZ面的成像结果图，从图12（a）和图12（b）可得到，能量极大值成像点位置不易分辨，坐标约为（850m，590m，2620m），与射孔坐标（866.58m，588.94m，2620m）较为吻合。图13是基于波形互相关系数相乘的微震偏移成像定位方法在Z方向上的水平成像结果示意图。从图13可见，能量仅仅在Z=2620m的水平切片出现极大值，且能量值极大值与周围空间的能量值相差较大，差值范围约为1，易于确定微震源位置。图14（a）和图14（b）是基于波形互相关系数相乘的微震偏移成像定位方法在XZ面和YZ面的成像结果图。从图14（a）和图14（b）可知，能量极大值成像点清晰可见，易于得到该能量极大值成像点的位置坐标为（860m，590m，2620m），相对于常规叠加的微震扫描定位方法所得到的射孔位置更接近于射孔位置，满足了精度要求，且空间成像分辨率更高。
10m，10m和20m；选用信噪比较高的第5、第7和第13个台站记录作为主地震道。图11为常规叠加的微震定位方法在Z方向上的水平成像结果示意图，从图11可见，归一化能量值在垂直方向上有逐渐集中的趋势，并且在Z=2.62km处的水平切片出现能量极大值，但是成像分辨率较低。图12（a）和图12（b）是常规叠加的微震定位方法在XZ面和YZ面的成像结果图，从图12（a）和图12（b）可得到，能量极大值成像点位置不易分辨，坐标约为（850m，590m，2620m），与射孔坐标（866.58m，588.94m，2620m）较为吻合。图13是基于波形互相关系数相乘的微震偏移成像定位方法在Z方向上的水平成像结果示意图。从图13可见，能量仅仅在Z=2620m的水平切片出现极大值，且能量值极大值与周围空间的能量值相差较大，差值范围约为1，易于确定微震源位置。图14（a）和图14（b）是基于波形互相关系数相乘的微震偏移成像定位方法在XZ面和YZ面的成像结果图。从图14（a）和图14（b）可知，能量极大值成像点清晰可见，易于得到该能量极大值成像点的位置坐标为（860m，590m，2620m），相对于常规叠加的微震扫描定位方法所得到的射孔位置更接近于射孔位置，满足了精度要求，且空间成像分辨率更高。
[0051] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而己，并不以本发明为限制，凡在本发明的精神和原则之内所作的均等修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的专利涵盖范围内。