一种地震数字信号的提频方法及装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种数字信号提频处理方法，其包括以下步骤：S101、输入一定时间里采集到的实信号道；S102、对所述实信号道进行希尔伯特变换以获取所述实信号道的瞬时振幅道；S103、基于所述瞬时振幅道对实信号道进行提频和极性变换处理，以获取提频信号道。由于消除了事件信号的极性，并且提高了频率，有效的弱事件信号与无效的干扰信号更容易区分，因此不需要大量强事件便能识别出微弱信号源，这在页岩气压裂微地震监测领域中彰显了环境保护和降低成本的优点。此外，本发明的零极性变换和提频处理的步骤简单、通用性强，一旦常数k1和k2给定，可以实现任何信号的倍频和零极性处理。
【专利说明】一种地震数字信号的提频方法及装置
【技术领域】
[0001] 本发明涉及数字信号处理技术，具体而言，涉及一种地震数字信号的提频方法及 装置，更进一步地说，尤其涉及针对页岩气压裂开采过程中产生的微地震监测数据的分析 处理。
【背景技术】
[0002] 页岩气是一种重要的非常规天然气资源，其开采主要使用水力压裂法，即将化学 物质和大量水、泥沙的混合物，用高压注入地下井，压裂附近的岩石构造，进而收集天然气。 而岩石破裂会伴随产生强度较弱的地震波，称为"微地震"。
[0003] 微地震监测技术就是通过观测、分析生产活动中所产生的微小地震事件来监测生 产活动的影响、效果及地下状态的地球物理技术。其基本做法是：通过在井中或地面布置检 波器排列接收生产活动所产生或诱导的微小地震事件，并通过对这些事件的反演求取微地 震震源位置等参数。在页岩气压裂微地震监测领域，微地震资料的信噪比较低，导致弱事件 的识别极其困难，目前无法进行微地震弱事件的震源成像定位。对此，现有技术还没有切实 可行的方法。
[0004] 为了微地震的震源成像定位，在现有技术条件下，可通过延长压裂施工时间，增加 压裂液等方式试图获得更多的容易识别的强事件。但这样又将突出经济成本和环境保护问 题。
[0005] 因此，目前在微地震监测中，针对采集的数据资料具有较低的信噪比的情况，迫切 需要一种能够准确提取有用弱事件的方法。
【发明内容】
[0006] 本发明针对现有在页岩气压裂微地震监测领域中不能准确识别弱事件的不足，提 出了一种新的数字信号提频处理方法，该方法中的提频和极性变换处理方法本发明称为零 极性变换。
[0007] 本发明方法包括以下步骤：
[0008] SlOl、输入一定时间里采集到的实信号道；
[0009] S102、对所述实信号道进行希尔伯特变换以获取所述实信号道的瞬时振幅道；
[0010] S103、基于所述瞬时振幅道对实信号道进行提频和极性变换处理，以获取提频信 号道。
[0011] 根据本发明的一个实施例，在所述步骤S103之后，继续按照以下步骤对所述提频 信号道进一步优化处理：
[0012] S104、对所述提频信号道进行希尔伯特变换以获取对应于所述提频信号道的瞬时 余弦相位函数道；
[0013] S105、将所述实信号道的瞬时振幅道和所述提频信号道的瞬时余弦相位函数道进 行重构以优化所述提频信号道。
[0014] 根据本发明的一个实施例，在步骤S105中，按照以下公式来进行重构：
[0015] z (t) = cos ξ (t) · a (t)
[0016] 其中，z (t)表示优化的零极性的提频信号道，cos ξ (t)表示提频信号道的瞬时余 弦相位函数道，a (t)表示所述实信号道的瞬时振幅道。
[0017] 根据本发明的一个实施例，按照以下公式进行提频和极性变换处理：
[0018] y(t) = kl · |x(t) |-k2 · a(t)
[0019] 其中，y(t)表示提频信号道，x(t)表示实信号道，a(t)表示所述实信号道的瞬时 振幅道，Ic 1和k2分别为常数。
[0020] 根据本发明的一个实施例，常数Ii1与k2的比值在1. 2至2. 0范围内，处理后的提 频信号道的频率与原实信号道频率是倍频关系。
[0021] 根据本发明的一个实施例，常数匕和1^2的取值优选分别为4和π。
[0022] 根据本发明的一个方面，还提供了一种数字信号提频处理装置，该装置包括以下 模块：
[0023] 输入模块，其用于输入一定时间里采集到的实信号道；
[0024] 第一变换模块，其用于对所述实信号道进行希尔伯特变换以获取所述实信号道的 瞬时振幅道；
[0025] 提频和极性变换处理模块，其用于基于所述瞬时振幅道对实信号道进行提频和极 性变换处理，以获取提频信号道。
[0026] 根据本发明的一个实施例，该装置还包括以下模块以对所述提频信号道进一步优 化处理：
[0027] 第二变换模块，其用于对所述提频信号道进行希尔伯特变换以获取对应于所述提 频信号道的瞬时余弦相位函数道；
[0028] 重构模块，其用于将所述实信号道的瞬时振幅道和所述提频信号道的瞬时余弦相 位函数道进行重构以优化所述提频信号道。
[0029] 根据本发明的一个实施例，在所述重构模块中，按照以下公式来进行重构：
[0030] ζ (t) = cos ξ (t) · a (t)
[0031] 其中，z (t)表示优化的零极性的提频信号道，cos ξ (t)表示提频信号道的瞬时余 弦相位函数道，a (t)表示所述实信号道的瞬时振幅道。
[0032] 根据本发明的一个实施例，在所述提频和极性变换处理模块中，按照以下公式进 行提频和极性变换处理：
[0033] y (t) = kl · I X (t) I _k2 · a ⑴
[0034] 其中，y(t)表示零极性的提频信号道，X (t)表示实信号道，a(t)表示所述实信号 道的瞬时振幅道，Ic1和k2分别为常数。
[0035] 本发明带来了以下有益效果：
[0036] (1)由于消除了事件信号的极性，并且提高了频率，有效的弱事件信号与无效的干 扰信号更容易区分，因此不需要大量强事件便能识别出微弱信号源，这在页岩气压裂微地 震监测领域中彰显了环境保护和降低成本的优点；
[0037] (2)本发明的零极性变换和提频处理的步骤简单、通用性强，一旦常数kl和k2给 定，可以实现任何信号的倍频和零极性处理；
[0038] (3)由于本发明的公式简单，因此采用计算机实现的自动化程度高。
[0039] 本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且部分地从说明书中变得 显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要 求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
【专利附图】
【附图说明】
[0040] 图1是模拟微地震资料的理论模型道集及其叠加道；
[0041] 图2是在图1所示的模型上增加了随机噪声后的理论模型道集及其叠加道；
[0042] 图3是根据本发明的一个实施例进行零极性变换提频处理的方法步骤流程图；
[0043] 图4a - 4f分别对应于按图3所示的步骤执行信号变换后的结果；
[0044] 图5a显示了含有一个正极性子波和一个负极性子波的信号道；
[0045] 图5b显示了对图5a所示的信号道作零极性变换后的无极性子波信号道；
[0046] 图6a显示了含有一个主频为30Hz子波的信号道；
[0047] 图6b显示了对应于图6a的子波的频谱图；
[0048] 图7a显示了对图6a的信号道进行零极性变换后的信号道；
[0049] 图7b显示了对应于图7a的信号道的频谱图；
[0050] 图8a显不了含有不同频率子波的信号道；
[0051] 图8b显示了对图8a的各子波进行零极性变换后的信号道；
[0052] 图9为根据本发明的实施例对图1所示的模型进行零极性变换的结果及其叠加 道；
[0053] 图10为根据本发明的实施例对图2所示的模型进行零极性变换的结果及其叠加 道；
[0054] 图Ila - Ilc显示了现有技术中页岩气压裂施工某工区实际的微地震强事件识别 图；
[0055] 图12a - 12c显示了根据本发明对图11进行零极性变换后的微地震强事件识别 图；
[0056] 图13a - 13c显示了现有技术中页岩气压裂施工某工区实际的微地震弱事件识别 图；
[0057] 图14a - 14c显示了根据本发明对图13进行零极性变换后的微地震弱事件识别 图；
[0058] 图15是压裂事件的发震时间与震源垂直深度关系对应图；
[0059] 图16是强压裂事件的震源定位3D图；
[0060] 图17是页岩气压裂施工井的测井图。
【具体实施方式】
[0061] 以下将结合附图来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段 来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要 不构成冲突，本发明各实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方 案均在本发明的保护范围之内。
[0062] 另外，附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统 中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的 顺序执行所示出或描述的步骤。
[0063] 以下就页岩气压裂微地震监测领域中的微地震事件来说明本发明的原理，但是， 本发明并不限于此。因为，对于数字信号处理【技术领域】的普通技术人员而言，看到本发明之 后可以想到其可应用于任何数字信号处理中对于有用信号的处理上。
[0064] 实施例一
[0065] 图1是模拟微地震资料的理论模型道集及其叠加道。在该图中，0. 2秒处有一组扭 曲的40Hz规则干扰同相轴；在0. 6秒处有另一组具有相同扭曲度的20Hz规则干扰同相轴； 在0. 4秒处则有一组水平的极性不统一的30Hz事件同相轴。通过图中的叠加道显示可以 看出，在没有随机噪声的背景下，两组规则干扰同相轴均能叠加成像，而事件同相轴却不能 叠加成像。事件同相轴不能叠加成像的原因主要是极性不统一，在叠加的过程中出现了抵 消的现象。
[0066] 图2是在图1基础上增加随机噪声后的理论模型道集及其叠加道。通过该图中的 叠加道显示可看出，仅在0. 6秒处的20Hz低频规则干扰同相轴能够叠加成像。很显然，这 将造成事件识别的误判。但是，注意到在〇. 2秒处的40Hz高频规则干扰同相轴并没有叠加 成像，这是本发明人所希望的。该现象可根据菲涅耳带原理加以解释，具有相同扭曲度的两 组规则干扰同相轴，低频同相轴更容易叠加成像。
[0067] 根据上述发现，可以得到以下启示：如果将事件同相轴的极性统一，并且提高含噪 信号道的频率，就能够获得事件同相轴的叠加成像，减少干扰同相轴的叠加成像，从而降低 事件识别的误判率。
[0068] 如图3所示，其中显示了根据本发明的一个实施例的方法流程图。在该图中，如步 骤SlOl所示，输入一定时间里采集到的实信号道。
[0069] 然后，在步骤S102中，对实信号道进行希尔伯特变换，以获取实信号道的瞬时振 幅道。
[0070] 希尔伯特变换（HT)是信号分析中的重要工具。假定一个连续的时间信号为x(t)， 其希尔伯特变换为h (t)，则希尔伯特变换表达式为：
【权利要求】
1. 一种数字信号提频处理方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤： 5101、 输入一定时间里采集到的实信号道； 5102、 对所述实信号道进行希尔伯特变换以获取所述实信号道的瞬时振幅道； 5103、 基于所述瞬时振幅道对实信号道进行提频和极性变换处理，以获取提频信号道。
2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤S103之后，继续按照以下步骤对 所述提频信号道进一步优化处理： 5104、 对所述提频信号道进行希尔伯特变换以获取对应于所述提频信号道的瞬时余弦 相位函数道； 5105、 将所述实信号道的瞬时振幅道和所述提频信号道的瞬时余弦相位函数道进行重 构以优化所述提频信号道。
3. 如权利要求2所述的方法，其特征在于，在步骤S105中，按照以下公式来进行重构： z (t) = cos ^ (t) ? a (t) 其中，z (t)表示优化的提频信号道，cos Ut)表示提频信号道的瞬时余弦相位函数 道，a (t)表示所述实信号道的瞬时振幅道。
4. 如权利要求1-3所述的方法，其特征在于，在所述步骤S103中，按照以下公式进行提 频和极性变换处理： y(t) = kl ? |x(t) |-k2 ? a(t) 其中，y(t)表示提频信号道，x(t)表示实信号道，a(t)表示所述实信号道的瞬时振幅 道，和k2分别为常数。
5. 如权利要求4所述的方法，其特征在于，常数与匕的比值在1.2至2.0范围内， 处理后的提频信号道的频率与原实信号道频率是倍频关系。
6. 如权利要求5所述的方法，其特征在于，常数&和k2的取值分别为4和。
7. -种数字信号提频处理装置，其特征在于，所述装置包括以下模块： 输入模块，其用于输入一定时间里采集到的实信号道； 第一变换模块，其用于对所述实信号道进行希尔伯特变换以获取所述实信号道的瞬时 振幅道； 提频和极性变换处理模块，其用于基于所述瞬时振幅道对实信号道进行提频和极性变 换处理，以获取提频信号道。
8. 如权利要求7所述的装置，其特征在于，还包括以下模块以对所述提频信号道进一 步优化处理： 第二变换模块，其用于对所述提频信号道进行希尔伯特变换以获取对应于所述提频信 号道的瞬时余弦相位函数道； 重构模块，其用于将所述实信号道的瞬时振幅道和所述提频信号道的瞬时余弦相位函 数道进行重构以优化所述提频信号道。
9. 如权利要求7所述的装置，其特征在于，在所述重构模块中，按照以下公式来进行重 构： z (t) = cos ^ (t) ? a (t) 其中，z (t)表示优化的提频信号道，cos Ut)表示提频信号道的瞬时余弦相位函数 道，a (t)表示所述实信号道的瞬时振幅道。
10.如权利要求7所述的装置，其特征在于，在所述提频和极性变换处理模块中，按照 以下公式进行提频和极性变换处理： y(t) = kl ? |x(t) |-k2 ? a(t) 其中，y(t)表示提频信号道，x (t)表示实信号道，a(t)表示所述实信号道的瞬时振幅 道，和k2分别为常数。
【文档编号】G01V1/28GK104459772SQ201310447538
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2013年9月25日 优先权日:2013年9月25日
【发明者】刘志成, 谢金娥, 贾春梅, 宋林, 许璐 申请人:中国石油化工股份有限公司, 中国石油化工股份有限公司石油物探技术研究院