本發(fā)明涉及井中微地震定位處理領(lǐng)域，尤其涉及一種井中微地震P、S波聯(lián)合快速定位方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

微地震壓裂監(jiān)測(cè)技術(shù)是非常規(guī)致密砂巖氣、頁(yè)巖氣藏儲(chǔ)層油氣田開發(fā)中的關(guān)鍵技術(shù)之一，根據(jù)反演定位出的震源信息，可以獲得裂縫屬性(主應(yīng)力走向、裂縫寬度、密度等)，用來(lái)評(píng)價(jià)壓裂效果，分析裂縫誘發(fā)規(guī)律，優(yōu)化布井等。因此，在微地震信號(hào)處理中，最終目的是震源定位，亦稱為微地震信號(hào)處理最核心技術(shù)。

井中微地震監(jiān)測(cè)是微地震觀測(cè)方式之一，特點(diǎn)是井下三分量接收，微地震資料較高，接收到的震源個(gè)數(shù)與類型較豐富。目前，井中微地震定位技術(shù)主要有兩種思路：

一是基于P波、S波事件旅行時(shí)正演，代表算法有網(wǎng)絡(luò)搜索法、模擬退火法、geiger法等，優(yōu)點(diǎn)是容易實(shí)現(xiàn)，缺點(diǎn)是由于初至相位信號(hào)弱導(dǎo)致P波、S波事件旅行時(shí)難以準(zhǔn)確拾取，影響定位結(jié)果；

第二種定位思路是基于波動(dòng)方程褶積，代表算法有干涉法、逆時(shí)偏移法、被動(dòng)源成像法，優(yōu)點(diǎn)是不需要拾取事件初至，缺點(diǎn)是對(duì)資料信噪比、速度模型要求高，計(jì)算成本高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種井中微地 震P、S波聯(lián)合快速定位方法及系統(tǒng)。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下：一種井中微地震P、S波聯(lián)合快速定位方法，包括如下步驟：

a、獲取同一事件微地震數(shù)據(jù)，對(duì)同一事件微地震數(shù)據(jù)進(jìn)行矢量分解，獲得兩個(gè)三分量檢波器的垂向方位角；

b、根據(jù)snell定律，建立三分量檢波器為起點(diǎn)的垂向深度H與水平距離L之間的函數(shù)關(guān)系；

c、建立與震源點(diǎn)位置有關(guān)P&S波深度目標(biāo)函數(shù)，通過掃描深度，使得目標(biāo)函數(shù)最小，計(jì)算出震源點(diǎn)相對(duì)三分量檢波器垂直深度與水平距離，實(shí)現(xiàn)P、S波聯(lián)合快速定位。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明提供了一種簡(jiǎn)單的基于矢量分解的井中微地震事件識(shí)別方法，僅僅利用兩個(gè)檢波器垂向方位角，根據(jù)snell定律，建立震源點(diǎn)位置有關(guān)P&S波深度目標(biāo)函數(shù)，通過掃描深度，使得目標(biāo)函數(shù)最小，就能實(shí)現(xiàn)P、S波聯(lián)合快速定位。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的另一技術(shù)方案如下：一種井中微地震P、S波聯(lián)合快速定位系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集模塊、矢量分解模塊、函數(shù)建立模塊和結(jié)果計(jì)算模塊；

所述數(shù)據(jù)采集模塊，其用于獲取同一事件微地震數(shù)據(jù)；

所述矢量分解模塊，其用于對(duì)同一事件微地震數(shù)據(jù)進(jìn)行矢量分解，獲得兩個(gè)三分量檢波器的垂向方位角；

所述函數(shù)建立模塊，其用于根據(jù)snell定律，建立三分量檢波器為起點(diǎn)的垂向深度H與水平距離L之間的函數(shù)關(guān)系；

所述結(jié)果計(jì)算模塊，其用于建立與震源點(diǎn)位置有關(guān)P&S波深度目標(biāo)函數(shù)，通過掃描深度，使得目標(biāo)函數(shù)最小，計(jì)算出震源點(diǎn)相對(duì)三分量檢波器垂直深度與水平距離，實(shí)現(xiàn)P、S波聯(lián)合快速定位。

附圖說明

圖1-1是本發(fā)明實(shí)現(xiàn)井中微地震P、S波快速定位操作流程圖；

圖1-2是本發(fā)明實(shí)現(xiàn)井中微地震P、S波快速定位操作系統(tǒng)框圖；

圖2是井中微地震垂直觀測(cè)示意圖：多個(gè)震源、兩個(gè)檢波器▲；

圖3-1是井中微地震模型三分量數(shù)據(jù)中的X分量；

圖3-2是井中微地震模型三分量數(shù)據(jù)中的Y分量；

圖3-3是井中微地震模型三分量數(shù)據(jù)中的Z分量；

圖4-1是井中微地震模型數(shù)據(jù)矢量分解中的P分量；

圖4-2是井中微地震模型數(shù)據(jù)矢量分解中的S分量；

圖5是無(wú)噪音“X”型所有震源點(diǎn)矢量分解后獲得的垂向方位角列表；

圖6是縱橫波速度模型列表；

圖7是本發(fā)明對(duì)無(wú)噪音“X”型所有震源點(diǎn)P、S波聯(lián)合快速定位結(jié)果示意圖顯示；

圖8是無(wú)噪音“X”型模型點(diǎn)P、S波聯(lián)合快速定位誤差直方圖(橫坐標(biāo)為震源序號(hào)，縱坐標(biāo)為反演值與真實(shí)值誤差)；

圖9-1是對(duì)井中微地震模型Z分量數(shù)據(jù)增加隨機(jī)噪音；

圖9-2是對(duì)井中微地震模型X分量數(shù)據(jù)增加隨機(jī)噪音；

圖9-3是對(duì)井中微地震模型Y分量數(shù)據(jù)增加隨機(jī)噪音；

圖10-1是含噪音模型矢量分解中的P分量；

圖10-2是含噪音模型矢量分解中的S分量；

圖11是含噪音模型所有震源點(diǎn)矢量分解后獲得的垂向方位角列表；

圖12是本發(fā)明對(duì)含噪音模型所有震源點(diǎn)P、S波聯(lián)合快速定位結(jié)果示意圖顯示；

圖13是含噪音模型點(diǎn)P、S波聯(lián)合快速定位誤差直方圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的原理和特征進(jìn)行描述，所舉實(shí)例只用于解釋本發(fā)明，并非用于限定本發(fā)明的范圍。

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述：

井中微地震三分量預(yù)處理包括：偏振分析、旋轉(zhuǎn)、方位一致性校正、矢量分解、去噪等等。其中，矢量分解可以看成是“合力與分力”關(guān)系，將三分量矢量信號(hào)，“合力”成沿波傳播方向P波或垂直波傳播方向S波標(biāo)量信息，同時(shí)產(chǎn)生垂向方位角。本發(fā)明正是利用基于矢量分解垂向方位角，試圖利用不同檢波器P波、S波傳播射線路徑幾何交集方式，來(lái)實(shí)現(xiàn)震源定位。

井中微地震三分量信號(hào)，具有壓裂震源位置未知、震源震相類型未知、P/S波事件混雜等特點(diǎn)，其矢量分解過程就是將三個(gè)分量上矢量信息“合并”成一個(gè)標(biāo)量，并將眾多P波、S波事件分離開。同時(shí)，該過程會(huì)產(chǎn)生與波傳播方向有關(guān)的垂向方位角，本發(fā)明正是利用這一特點(diǎn)，結(jié)合snell定律，沿著不同檢波器波傳播路徑逆向方向，建立與震源有關(guān)的目標(biāo)方程，快速求解，實(shí)現(xiàn)P、S波聯(lián)合定位。

首先假設(shè)，震源點(diǎn)激發(fā)P波和S波信號(hào)，達(dá)到觀測(cè)井三分量檢波器之前，還屬于標(biāo)量波，當(dāng)三分量X、Y、Z檢波器接收信號(hào)之后，變成三個(gè)方向兩兩垂直的矢量波，而矢量分解可以看成是其逆過程，即由X、Y分量計(jì)算幾何合力R與切向剩余T、再計(jì)算Z分量與R幾何合力P與切向S，同時(shí)產(chǎn)生兩個(gè)空間方位角：水平方位角、垂向方位角。其中，物理意義上，垂向方位角代表波傳播方向與檢波器垂直向下Z分量之間交角。

如圖1-1所示，一種井中微地震P、S波聯(lián)合快速定位方法，包括如下步驟：

第一步：獲取同一事件微地震數(shù)據(jù)，對(duì)同一事件微地震數(shù)據(jù)進(jìn)行矢量分解，計(jì)算出兩個(gè)三分量檢波器P波垂直方位角θ₁、θ₂和一個(gè)檢波器S波垂向 方位角β₂；

具體地，首先對(duì)井中微地震兩個(gè)檢波器三分量X、Y、Z包含P、S波事件數(shù)據(jù)進(jìn)行矢量分解(其中，兩個(gè)檢波器三分量接收到來(lái)自同一個(gè)P&S波聯(lián)合震源信息，數(shù)據(jù)上表現(xiàn)為兩組三分量接收到了代表P波、S波事件的脈沖波形數(shù)據(jù))，獲得兩組沿波傳播方向P波、垂直波傳播方向S波，以及兩個(gè)檢波器的P波垂向方位角θ₁、θ₂與一個(gè)檢波器S波垂向方位角β₂；

其中，所述矢量分解采用矢端曲線-直方圖法實(shí)現(xiàn)，具體如下：

設(shè)置一個(gè)時(shí)窗，包含了P波事件，對(duì)三分量檢波器X、Y分量振幅值(x_i,y_i)作偏振分析；定義瞬時(shí)能量E_i和瞬時(shí)方位φ_i：

$E_i=x_i^2+y_i^2---\left(1\right)$

tgφ_i＝y(tǒng)_i/x_i (2)

首先，根據(jù)上式，計(jì)算出每個(gè)樣點(diǎn)瞬時(shí)方位φ_i與瞬時(shí)能量E_i，同時(shí)作出瞬時(shí)能量E_i對(duì)瞬時(shí)方位φ_i的直方圖；然后，畫出(x_i,y_i)振幅值坐標(biāo)系連線圖，即矢端曲線圖，對(duì)其進(jìn)行線性擬合，估算出傾角范圍；最后，參考傾角范圍，在E_i、φ_i直方圖中尋找瞬時(shí)能量最大值的位置，此時(shí)與其對(duì)應(yīng)的角度φ，即為三分量檢波器相對(duì)波傳播方向水平方位角；

利用三分量檢波器相對(duì)波傳播方向水平方位角φ，對(duì)X、Y分量進(jìn)行旋轉(zhuǎn)處理，獲得水平徑向R與切向T：

R_i＝x_i cos(φ)+y_i sin(φ)

(3)

T_i＝-x_i sin(φ)+y_i cos(φ)

其中，R_i、T_i分別為旋轉(zhuǎn)后水平徑向、切向分量瞬時(shí)振幅；

同樣，對(duì)檢波器Z分量、水平徑向R分量振幅值(Z_i,R_i)作偏振分析，畫出(Z_i,R_i)振幅值連線圖，即矢端曲線圖，對(duì)其進(jìn)行線性擬合，估算出傾角范圍；參考傾角范圍，在直方圖中尋找瞬時(shí)能量最大值的位置，求出其對(duì)應(yīng)的檢波器相對(duì)波傳播方向垂向方位角θ，即完成矢量分解與計(jì)算垂向方位角；

對(duì)觀測(cè)井任意兩個(gè)三分量檢波器P波進(jìn)行矢量分解，獲得相應(yīng)垂向方位角為θ₁、θ₂，同時(shí)，對(duì)其中一個(gè)檢波器S波進(jìn)行矢量分解，獲得垂向方位角β₂。

第二步：由已知地層介質(zhì)速度模型，根據(jù)snell定律，從三分量檢波器出發(fā)，沿波傳播路徑逆方向，建立以三分量檢波器為起點(diǎn)的垂向深度H與水平距離L之間的函數(shù)關(guān)系，對(duì)應(yīng)有兩個(gè)P波函數(shù)L_P1＝f_P1(H)、L_P2＝f_P2(H)與一個(gè)S波函數(shù)L_S2＝f_S2(H)；

具體地，建立函數(shù)關(guān)系的具體實(shí)現(xiàn)如下：

假設(shè)兩個(gè)檢波器之間垂直距離為h₀，給出距離第二個(gè)檢波器地下任意深度H，根據(jù)聲波測(cè)井，分成從淺到深N層縱橫波速度層[Vp₁,Vp₂,......,Vp_N-1,Vp_N]、[Vs₁,Vs₂,......,Vs_N-1,Vs_N]，且深度H亦分為相應(yīng)N層[H₁,H₂,......,H_N-1,H_N]；

根據(jù)snell定律，由兩個(gè)P波垂向方位角θ₁、θ₂與一個(gè)S波垂向方位角β₂，得到與深度H有關(guān)的水平距離：

$L_{P1}=f_{P1}\left(H\right)=(H_1+h_0)\·tan\left({\mathrm{\θ}}_1\right)+\underset{i=2}{\overset{N}{\Σ}}{H}_i\·\frac{{\mathrm{Vp}}_i/{\mathrm{Vp}}_1\·sin\left({\mathrm{\θ}}_1\right)}{\sqrt{1-{({\mathrm{Vp}}_i/{\mathrm{Vp}}_1\·\sin ({\mathrm{\θ}}_1\left)\right)}^2}}---\left(4\right)$

$L_{P2}=f_{P2}\left(H\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{H}_i\·\frac{{\mathrm{Vp}}_i/{\mathrm{Vp}}_1\·sin\left({\mathrm{\θ}}_2\right)}{\sqrt{1-{({\mathrm{Vp}}_i/{\mathrm{Vp}}_1\·sin({\mathrm{\θ}}_2\left)\right)}^2}}---\left(5\right)$

$L_{S2}=f_{S2}\left(H\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{H}_i\·\frac{{\mathrm{Vs}}_i/{\mathrm{Vs}}_1\·sin\left({\mathrm{\β}}_2\right)}{\sqrt{1-{({\mathrm{Vs}}_i/{\mathrm{Vs}}_1\·sin({\mathrm{\β}}_2\left)\right)}^2}}---\left(6\right)$

其中，L_P1、L_P2分別為淺層、深層三分量檢波器任意深度H對(duì)應(yīng)的P波傳播距離檢波器徑向水平距離，L_S2為深層檢波器任意深度H對(duì)應(yīng)的S波傳播距離檢波器徑向水平距離。

第三步：設(shè)置與震源位置有關(guān)的目標(biāo)函數(shù)OPJ＝||f_P1(H)-f_P2(H)||+||f_P1(H)-f_S2(H)||，當(dāng)OPJ→0時(shí)，快速計(jì)算出最優(yōu)解深 度H₀與相應(yīng)水平距離L₀＝(f_P1(H₀)+f_P2(H₀)+f_S2(H₀))/3，即所求為震源點(diǎn)相對(duì)三分量檢波器垂直深度與水平距離。

具體地，計(jì)算震源點(diǎn)相對(duì)三分量檢波器垂直深度與水平距離的具體實(shí)現(xiàn)為：

建立與震源位置有關(guān)的目標(biāo)函數(shù)，快速計(jì)算出最優(yōu)解深度H₀與相應(yīng)水平距離L₀＝(f_P1(H₀)+f_P2(H₀)+f_S2(H₀))/3，實(shí)現(xiàn)P、S波聯(lián)合定位，目標(biāo)函數(shù)如下：

OPJ(H)＝(L_P1-L_P2)+(L_P1-L_S2)

(7)

＝(f_P1(H)-f_P2(H))+(f_P1(H)-f_S2(H))

當(dāng)OPJ→0時(shí)，表示一個(gè)檢波器P波水平距離同時(shí)與另一個(gè)檢波器P波、S波水平距離相交，該交點(diǎn)位置即為震源位置。

其中，快速計(jì)算出最優(yōu)解深度H₀與相應(yīng)水平距離L₀采用牛頓二分法，具體實(shí)現(xiàn)如下：

快速找出兩個(gè)深度H₁、H₂，使得OPJ(H₁)·OPJ(H₂)≤0；

選取中間值H₃＝(H₁+H₂)/2，比較OPJ(H₁)、OPJ(H₂)、OPJ(H₃)，如果OPJ(H₁)·OPJ(H₃)≤0，則令新的深度組合H₁＝H₁、H₂＝H₃，如果OPJ(H₂)·OPJ(H₃)≤0，則令新的深度組合H₁＝H₂、H₂＝H₃；

重新計(jì)算中間值目標(biāo)函數(shù)，再進(jìn)行比較，如此迭代，直至最后符合收斂誤差，得到最優(yōu)解H₀＝(H₁+H₂)/2，代入目標(biāo)函數(shù)，計(jì)算出最優(yōu)水平距離L₀＝(f_P1(H₀)+f_P2(H₀)+f_S2(H₀))/3，實(shí)現(xiàn)P、S波聯(lián)合快速定位。

如圖1-2所示，一種井中微地震P、S波聯(lián)合快速定位系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集模塊、矢量分解模塊、函數(shù)建立模塊和結(jié)果計(jì)算模塊；

所述數(shù)據(jù)采集模塊，其用于獲取同一事件微地震數(shù)據(jù)；

所述矢量分解模塊，其用于對(duì)同一事件微地震數(shù)據(jù)進(jìn)行矢量分解，獲得兩個(gè)三分量檢波器的垂向方位角；

所述函數(shù)建立模塊，其用于根據(jù)snell定律，建立三分量檢波器為起點(diǎn) 的垂向深度H與水平距離L之間的函數(shù)關(guān)系；

所述結(jié)果計(jì)算模塊，其用于建立與震源點(diǎn)位置有關(guān)P&S波深度目標(biāo)函數(shù)，通過掃描深度，使得目標(biāo)函數(shù)最小，計(jì)算出震源點(diǎn)相對(duì)三分量檢波器垂直深度與水平距離，實(shí)現(xiàn)P、S波聯(lián)合快速定位。

下面用井中微地震模型數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證本發(fā)明P、S波臉很快速定位處理效果。

如圖2所示，由兩個(gè)三分量檢波器和一組“X”型震源點(diǎn)組成。

圖3-1至圖3-3為模擬的中心震源點(diǎn)處井中微地震三分量數(shù)據(jù)，包含一組P、S波信息，即同時(shí)激發(fā)P波、S波。

圖4-1和圖4-2是對(duì)圖3-1至圖3-3中X、Y、Z三分量進(jìn)行矢量分解結(jié)果?？梢钥闯?，圖中P分量主要包含P波信息、S分量主要包含S波信息，實(shí)現(xiàn)了從原始矢量到沿波傳播與垂直傳播方向標(biāo)量P波、S波。對(duì)所有震源點(diǎn)進(jìn)行矢量分解，除了獲得各自P波、S波信息外，同時(shí)獲得一組垂向方位角，如圖5所示。

然后，由已知速度模型(實(shí)際上可以從聲波測(cè)井中獲得)(參加圖6)，設(shè)置較深檢波器為原點(diǎn)，根據(jù)公式(4)、(5)、(6)，計(jì)算深度從H＝0開始，對(duì)應(yīng)檢波器P波、S波水平距離，再根據(jù)公式(7)，計(jì)算三條有關(guān)H函數(shù)曲線交點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的深度、水平距離即為所求的震源點(diǎn)位置。圖7為通過本發(fā)明方法計(jì)算出所有震源點(diǎn)位置示意圖，而圖8則是對(duì)應(yīng)誤直方圖，可以看出，絕大數(shù)震源點(diǎn)定位誤差在1米以內(nèi)，說明了本發(fā)明震源定位的可行性。

最后，給模型增加隨機(jī)噪音，如圖9-1至圖9-3所示，分析噪音對(duì)本發(fā)明震源定位結(jié)果敏感性。同樣，根據(jù)流程圖1，對(duì)含有噪音數(shù)據(jù)進(jìn)行矢量分解(如圖10-1和圖10-2)，獲得垂向方位角(如圖11)。再根據(jù)垂向方位角，開展P、S波聯(lián)合定位，反演出所有震源點(diǎn)位置，如圖12所示。而圖13是圖12反演結(jié)果與真實(shí)位置誤差直方圖，可以看出，最大誤差為，但是 大多數(shù)誤差都在3米以內(nèi)，說明了本發(fā)明對(duì)噪音存在一定抗噪性，有一定程度的實(shí)用價(jià)值。

綜上所述，本發(fā)明提出“合力”與“分離”假設(shè)，完成井中微地震三分量矢量分解，獲得關(guān)鍵的、代表P波、S波傳播方向與檢波器Z分量交角的垂向方位角。利用該方位角，結(jié)合snell定律，建立與震源位置有關(guān)的目標(biāo)方程，通過牛頓二分法，快速反演出震源點(diǎn)位置，實(shí)現(xiàn)井中微地震P&S波聯(lián)合定位處理。模型數(shù)據(jù)測(cè)試，說明了本發(fā)明定位處理簡(jiǎn)單、易行，同時(shí)對(duì)噪音敏感分析，亦說明本發(fā)明具有一定程度抗噪性，為井中微地震野外現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)快速處理提供技術(shù)支撐。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。