一种基于检波器间距约束的微地震初至拾取方法与流程

1.本发明涉及地球物理勘探技术领域，尤其涉及一种基于检波器间距约束的微地震初至拾取方法。


背景技术：

2.微地震监测技术作为被广泛研究的一种地球物理技术，随着近年来信息技术的迅速发展，该技术广泛应用到地下工程当中，如油气田开发、矿山安全生产、隧道施工建设以及地质灾害监测等多个领域，其可靠性与有效性得到极大认可。
3.在非常规油气储层勘探开发过程中，微地震监测技术是其了解压裂裂缝分布规律及评价压裂效果的重要技术手段，它是以声发射学和地质学为基础，通过观测分析岩石破裂或错断引发的微地震事件来监测地下应力场应力分布情况以及人工裂缝发育过程和发育状态。其中，微地震事件的识别和初至拾取是微地震监测数据处理的关键步骤，微地震事件的准确识别直接影响微地震初至拾取的精度，而初至拾取的误差对后期震源定位准确性影响较大，所以如何提高微地震事件识别的准确性和初至拾取的精度具有关键且重要的意义。
4.微地震事件初至拾取的本质就是从事件信号的偏振、频谱、波形、统计特征和能量等方面来识别和分析有效信号与背景噪声之间的特征差异。由于人工压裂产生的微地震信号能量较弱、频率较高，相比地震勘探信号信噪较低，事件产生的背景噪声和续至波对微地震事件的震相识别和初至拾取有较强影响，继而影响后期事件定位的结果，此外，微地震检波器的空间展布也会影响震相识别的准确性。传统人工微地震震相识别和初至拾取主要依靠人工识别，其工作量极大且容易受到拾取标准不一致和人为数据处理经验干扰产生人为误差，难以满足实际生产效率的要求。许多学者研究并提出了多种自动识别微地震事件震相和初至拾取的方法，常见的初至拾取方法可分为单道特征法、多道互相关法和模板匹配法。单道特征法包括长短时均值比方法(sta/lta法)、aic方法；偏振分析法、pai
‑
s/k方法及分形维法等。此外，一些学者结合上述方法及微地震单道信号的特征差异研究出多算法、多特征属性的震相识别和初至拾取方法。通过对微地震事件道间记录的相似特征分析研究，学者们相继提出了用于优化微地震震相识别和初至拾取结果的多道互相关算法，如基于迭代的互相关算法和基于波形相似的互相关算法等。相对于单道拾取对低信噪比事件敏感度低，多道互相关法有效提高了低信噪比时间的拾取精度，大大降低了漏拾/误拾率。模板匹配法是利用相邻子震源不同事件间的波形相似特征来拾取，以高信噪比信号作为模板对低信噪比信号进行检测和拾取，但此方法对模板事件的选取依懒性较强，易漏拾部分有效信号。
5.震源机制相似的微地震事件在记录上会表现出相似的波形特征，根据此特征，基于波形互相关的微地震震相识别和初至拾取方法被提出。其基本思路是通过选取一系列主震事件，将主震事件与连续分段记录进行互相关处理，判断并选取高相关性记录信息，假定该段记录存在微地震事件发生。人们通常采用sta/lta方法来确定主震事件，但该方法对低
信噪比事件不敏感，易漏拾有效的主震事件，继而造成与主震事件具有相似震源机理的微地震事件漏拾。为了有效地避免了低信噪比记录造成主震事件被漏拾的情况，魏梦祎等提出了利用道间记录波形相似性来识别微地震事件的方法，该方法通过计算全局道间互相关函数，对微地震记录进行时差校正，利用道间相似系数来识别微地震事件，然后对时差校正后多道记录进行叠加并进行初至拾取，结合各道间时差信息获得微地震事件的初至时间。道间信号波形的相似程度取决于检波器的空间展布及事件间距，同时微地震事件初至拾取受传播途径、能量和背景噪声等综合因素的影响，时差校正后波形存在对齐差异的现象，利用全局波形互相关方法进行微地震事件震相识别和初至拾取时往往忽略上述误差因素，导致因个别道间信息对整个微地震事件拾取结果的影响。


技术实现要素：

6.为解决上述技术问题，本发明公开了一种基于检波器间距约束的微地震初至拾取方法，该方法在道间互相关运算中引入检波器间距约束条件，大大减少了检波器空间展布对道间信号波形相似度的影响及时差改正后的波形存在对齐差异的现象，继而合理有效地避免了震检距对初至到时的影响，提高了拾取结果精度。
7.为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
8.一种基于检波器间距约束的微地震初至拾取方法，具体包括以下步骤：
9.步骤一，构建全局互相关函数；
10.步骤二，利用全局互相关函数对微地震记录进行一次时差校正；
11.步骤三，引入检波器间距约束条件，重新构建局部互相关函数；
12.步骤四，利用局部互相关函数对一次时差校正后的记录进行二次时差校正；
13.步骤五，对二次时差校正后的多道记录进行叠加运算得出叠加道；
14.步骤六，采用sta/lta方法对叠加道进行初至拾取得出初至到时；
15.步骤七，结合局部互相关函数计算出的各道相对到时和叠加道初至到时进行反向时差校正，既可得到微地震事件的初至到时。
16.进一步地，步骤一中，两个道间信号的互相关函数为：
[0017][0018]
其中，n为采样点数，x
i
(n)和x
j
(n)分别表示两道数据；当|c
i，j
(k)|为最大时，记做此时x
i
(n)和x
j
(n)的波形具有最大的相似度，两个信号的x
i
(n)和x
j
(n)的时差δt
i，j
视为两道之间的初至到时差。
[0019]
道间时差δt
i，j
和两道记录的初至时间t
i
，t
j
之间的关系如下：
[0020]
t
i
‑
t
j
＝δt
i，j
ꢀꢀꢀ
(2)。
[0021]
进一步地，步骤二和步骤四中，时差校正采用以下两种方式：
[0022]
方法一，选取信噪比高的记录作为参考道x
i
(n)，任意其他各道为x
j
(n)，计算参考道与其他各道的互相关函数，根据δt
i，j
调整各道的时窗位置，即可对微地震记录进行时差改正；
[0023]
方法二，无须选定参考道，根据δt
i，j
与各道相对到时t
i
之间的关系建立线性方程组来求解t
i
，并依据t
i
对各道记录进行时差校正。
[0024]
进一步地，多道记录的时差校正通过建立超定线性方程组求解的方法实现；多道记录的时差校正可以通过建立超定线性方程组求解的方法实现。
[0025]
根据公式(2)建立如下线性方程组(以5道记录为例)：
[0026][0027]
为了避免求解过程中不稳定，可以在方程组的底部添加一个约束方程∑t
i
＝0。对于m道记录，公式(3)需要进行m(m
‑
1)/2次互相关运算，得到m(m
‑
1)/2组道间时差信息。将公式(3)简化为如下形式：
[0028]
at＝δt
ꢀꢀꢀ
(4)
[0029]
其中，a为稀疏系数矩阵，δt为观测数据向量(由δt
i，j
构成)，t为待求参数向量(由t
i
构成)；公式(4)的最小二乘解为：
[0030]
t＝(a
t
a)
‑1a
t
δt
ꢀꢀꢀ
(5)
[0031]
利用公式(5)求解出t后，即得到各道记录的初至信息，根据各道的相对到时t
i
对各道记录进行时差校正。
[0032]
进一步地，步骤六中，sta/lta方法的计算公式如下：
[0033][0034]
其中，x(n)为地震记录，m为长时窗长度，n为短时窗长度，一般认为r的最大值点即为地震波的初至点。
[0035]
通过公式(6)即可识别出有效微地震事件，经过时差矫正后可得到初至同相轴拉平的记录。原始的单道记录中都存在随机噪声，叠加能够有效地压制这些随机噪声，提高记录信噪比，使得初至拾取更准确，进而将拉平后的各道记录进行叠加得到叠加道。利用sta/lta方法(长短时能量比法)对叠加道进行初至拾取。该方法的基本思路是选取一组长、短滑动时窗，利用两个时窗内信号的平均值之比反映信号振幅或能量的变化。sta(短时窗平均值)反映局部信号的振幅水平，lta(长时窗平均值)反映背景噪声的振幅水平。在初至到时附近，sta比lta变化快，相应的sta/lta比值会出现一个明显的极值。
[0036]
叠加道是所有道的集合，故对此道进行初至拾取，就相当于对所有道进行了初至拾取，进而得到叠加道的初至到时为t0，结合公式(3)中各道的相对到时t
i
，再反向进行一次时差校正，获得各道实际的初至到时t
i
。
[0037]
其计算公式如下：
[0038]
t
i
＝t0 t
i
ꢀꢀꢀ
(7)
[0039]
微地震事件的波形相似度程度体现在两个方面：一是相近检波器接收的同一微地震事件记录的波形相似；二是具有相似震源位置及破裂机制的微地震事件在记录上表现出相似的波形。在实际记录中，来自同一个微震事件的波场，在经过了不同的传播路径后，被不同检波器接收到的波形是存在差异的，这种差异会随着检波器之间距离的增加而加大。常规的互相关微地震初至拾取方法，需要对所有检波器的记录都进行统一的时差校正，以进行后续的叠加道计算。若这种差异大到无法通过互相关函数来求取微震信号的相对到时，那该方法就会出现明显误差。
[0040]
考虑对检波器之间的距离进行限制，即只对间距在一定范围内的检波器对求取微震信号到时差。对此问题，考虑对检波器之间的距离进行限制，即只对间距在一定范围内的检波器对求取微震信号到时差。即为本发明所引入的检波器间距约束条件。
[0041]
如图1所示，展示了一个微震监测检波器布置的平面图。在未添加检波器间距限制时，全部检波器的接收记录都需要做互相关运算，但不同颜色检波器相距较远，其接收到的同一个微震事件的波形可能差异较大，从而无法准确计算各道的相对到时，故只对同色检波器接收的记录之间做互相关运算。
[0042]
以4道检波器间距作为约束条件为例，根据公式(3)得出局部互相关多道记录的时差校正的线性方程组如下：
[0043][0044]
综上，将检波器间距约束条件引入互相关初至拾取的流程中，当对微地震记录进行全局互相关计算并进行时差校正后得到初至波同相轴拉平的记录，再对此记录进行基于检波器间距约束的局部互相关计算并进行时差校正得到局部互相关拉平的记录，利用此记录来进行后续震相识别、多道叠加计算和初至拾取。
[0045]
本发明的有益效果是，
[0046]
本发明利用微地震信号在不同检波器之间具有较高的相似性特征和引入检波器间距约束条件的局部互相关算法来计算微地震事件的初至到时，该方法首先利用波形相似的全局互相关算法对记录进行时差校正，引入检波器间距约束条件的局部互相关算法对一次拉平记录进行时差校正，利用sta/lta方法求取叠加道初至到时，并利用反向时差校正得出微地震事件的初至拾取结果。
[0047]
本发明通过实际微地震事件的记录进行处理，证明了该方法行之有效，其中全局互相关算法避免了由于时窗长度选取不合理而在成得有效波形信息完全被校正的情况，对拉平后的记录多道叠加提高了信噪比，引入检波器间距约束有效降低了检波器空间展布对于拾取结果的影响，有效提高了初至拾取结果的准确性。
附图说明
[0048]
图1为本发明检波器间距约束示意图；
[0049]
图2为本发明基于检波器间距约束的互相关初至拾取流程示意图；
[0050]
图3为本发明检波器的设计布设位置；
[0051]
(a)测试区鸟瞰图，(b)测试区实际检波器布置位置图；
[0052]
图4为本发明实际微地震事件记录；
[0053]
图5为本发明道间互相关函数最大值；
[0054]
图6为本发明全局互相关计算后的道间时差；
[0055]
图7为本发明全局互相关时差校正后的道间时差；
[0056]
图8为本发明基于检波器间距约束互相关计算(局部互相关)后的道间时差；
[0057]
图9为本发明基于检波器间距约束互相关计算(局部互相关)时差校正后的道间时差；
[0058]
图10为本发明全局互相关时差校正后的事件记录；
[0059]
图11为本发明基于检波器间距约束互相关计算(局部互相关)后的事件记录；
[0060]
图12为本发明全局互相关时差校正后的叠加道记录及拾取结果；
[0061]
图13为本发明基于检波器间距约束互相关计算(局部互相关)后的叠加道记录及拾取结果；
[0062]
图14为本发明全局互相关方法微地震事件初至拾取结果；
[0063]
图15为本发明基于检波器间距约束互相关方法(局部互相关)微地震事件初至拾取结果。
[0064]
图16为本发明全局互相关方法微地震事件初至拾取结果(事件1)；
[0065]
图17为本发明基于检波器间距约束互相关方法(局部互相关)微地震事件初至拾取结果(事件1)；
[0066]
图18为本发明全局互相关方法微地震事件初至拾取结果(事件2)；
[0067]
图19为本发明基于检波器间距约束互相关方法(局部互相关)微地震事件初至拾取结果(事件2)；
[0068]
图20为本发明全局互相关方法微地震事件初至拾取结果(事件3)；
[0069]
图21为本发明基于检波器间距约束互相关方法(局部互相关)微地震事件初至拾取结果(事件3)；
[0070]
图22为本发明全局互相关方法微地震事件初至拾取结果(事件4)；
[0071]
图23为本发明基于检波器间距约束互相关方法(局部互相关)微地震事件初至拾取结果(事件4)。
具体实施方式
[0072]
下面将结合本发明实施例中的附图，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。
[0073]
本发明公开了一种基于检波器间距约束的微地震初至拾取方法，该方法在道间互
相关运算中引入检波器间距约束条件，大大减少检波器空间展布对道间信号波形相似度的影响及时差改正后的波形存在对齐差异的现象，继而合理有效地避免震检距对初至到时的影响，提高拾取结果精度。
[0074]
一种基于检波器间距约束的微地震初至拾取方法，具体包括以下步骤：
[0075]
(1)构建全局互相关函数；
[0076]
(2)利用全局互相关函数对微地震记录进行一次时差校正；
[0077]
(3)引入检波器间距约束条件，重新构建局部互相关函数；
[0078]
(4)利用局部互相关函数对一次时差校正后的记录进行二次时差校正；
[0079]
(5)对二次时差校正后的多道记录进行叠加运算得出叠加道；
[0080]
(6)采用sta/lta方法对叠加道进行初至拾取得出初至到时；
[0081]
(7)结合局部互相关函数计算出的各道相对到时和叠加道初至到时进行反向时差校正，既可得到微地震事件的初至到时。
[0082]
首先对全局有效道进行互相关运算及时差校正，其次对时差校正后的记录进行基于检波器间距约束的局部互相关运算并进行时差校正，再对二次时差校正后的多道记录进行叠加形成叠加道，采用sta/lta方法对叠加道进行初至拾取，最后结合叠加道初至信息以及时差相对校正量，既可得到微地震事件的初至到时。
[0083]
为了检验本文方法的有效性，我们对实际资料进行处理，并把处理结果与常规方法进行对比分析。
[0084]
图2为本发明基于检波器间距约束的互相关初至拾取流程示意图，包括：
[0085]
(a)为波形相似性示意图，其中黑色星号代表震源，黑色三角代表检波器，曲线表示相似度微震事件信号(纵向为时间，横向为振幅))；
[0086]
(b)为时差与拾取原则示意图，其中坐标轴纵轴为时间，横轴为检波点号；两条黑色曲线表示两个检波器所接收的信号，圆圈表示两个信号上的同相位位置，即希望拾取的位置；
[0087]
(c)为基于检波器间距约束的互相关计算时差校正后记录示意图，展示了(b)校正后的记录形态；
[0088]
(d)为所有记录校正后示意图；
[0089]
(e)为对(d)进行叠加道匀速成形的叠加道，并利用常规的初至拾取方法(长短时能量比法)对该叠加道进行初至拾取，圆点为叠加道的初至到时；
[0090]
(f)对(e)进行初至拾取，就相当于对所有道进行了初至拾取；
[0091]
(g)对(f)反向进行一次时差校正，以获得各道实际的到时。
[0092]
图3为本发明检波器的设计布设位置，每一个圆点都代表一个检波器；南北向测线共布设71台检波器，检波器间距为2m，测线长度共140m；其中对(60,60)位置附近进行一次锤击，作为本次初至拾取的目标事件。
[0093]
图4为本发明实际微地震事件记录，其中横坐标为时间、单位为ms，纵坐标为距离、单位为m。利用互相关函数对记录进行计算，得出各道间相关最大值如图5所示，图中相关最大值代表两道记录的波形相似度，数值越大代表两道记录的波形相似度越高，从图中可以看出，检波器间距对两道记录的相关性影响较为明显。
[0094]
通过常规波形互相关方法(全局互相关)对记录进行互相关运算得出道间时差及
校正后的道间时差如图6
‑
7所示，此时引入检波器间距约束条件(相邻4道为约束)对拉平后的记录进行局部互相关运算得出二次道间时差及校正后的时差如图8
‑
9所示。通过对比可以看出，基于检波器间距约束条件计算后的记录，仅将约束条件内的记录进行互相关计算，忽略了远端记录对互相关计算的干扰，合理避免了检波器空间展布对道间信号波形相似度的影响。
[0095]
图10、图11分别的两种方法微地震事件时间校正的波形，与原始地震记录(图4)相比可以明显看出，经过时差校正后的同相轴基本上能够拉平，对比两种方法，新方法时差校正后的同相轴更为稳定，矩形框为测线30
‑
70米校正后记录，其中常规方法同相轴轻微波动，新方法则没有。
[0096]
将时差矫正后的各道记录进行叠加，并利用sta/lta方法求取叠加道的初至到时，结果如图12
‑
13所示。根据公式(7)进行反向时差校正，可以得出各道实际的初至到时，结果如14
‑
15。对比两种方法的拾取结果，可以明显看出常规波形互相关初至拾取方法在测线2
‑
10米左右的初至点与后续的初至点存在明显的不连续，但检波器在空间上是连续排列的，因此可以认为这里的拾取出现了误差，而新方法对常规方法存在的不连续性进行了压制，拾取结果更为准确。
[0097]
采用上述方法对其他微地震事件进行拾取，拾取结果如图16
‑
22。通过对比事件1
‑
4的拾取结果，不难发现检波器空间展布对于拾取结果有明显影响，常规互相关初至拾取方法，随着震检距增大，拾取结果的精度变低、连续性变差，同时验证了基于检波器间距约束的互相关初至拾取方法的可靠性，相比于常规波形互相关初至拾取方法，拾取结果整体连续性更好，结果更为准确，合理避免了检波器空间展布对于拾取结果的影响。
[0098]
本发明利用微地震信号在不同检波器之间具有较高的相似性特征和引入检波器间距约束条件的局部互相关算法来计算微地震事件的初至到时。该方法利用波形相似的全局互相关算法对记录进行时差校正，引入检波器间距约束条件的局部互相关算法对一次拉平记录进行时差校正，利用sta/lta方法求取叠加道初至到时，并利用反向时差校正得出微地震事件的初至拾取结果。通过实际微地震事件的记录进行处理，证明了该方法行之有效，其中全局互相关算法避免了由于时窗长度选取不合理而在成得有效波形信息完全被校正的情况，对拉平后的记录多道叠加提高了信噪比，引入检波器间距约束有效降低了检波器空间展布对于拾取结果的影响，有效提高了初至拾取结果的准确性。
[0099]
本发明主要适用于同一震源或震源机制相似波形相似程度高的微地震事件。由于实际生产中为了保证记录整体处理的效果，会将记录中的多个事件单独提取出来进行处理，故文中只对单一事件进行了处理分析。实际生产资料中，对于不同震源机制的微地震事件可以按照波形的差异进行分类，再分别求取不同类事件的初至信息。本文方法有效压制了背景噪声、低信噪比记录和震检距等因素对初至拾取的影响，但实际资料中还存在一些规则干扰，如折射波、反射波及续至波等，这些信号的存在造成了拾取误差，减少此类误差既而提高初至拾取精度也将是本发明后续研究的新方向。
[0100]
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。