基于信号估计的水力压裂微地震震源定位方法及系统与流程

本发明涉及油藏开发过程中的水力压裂微地震监测技术领域，尤其涉及基于信号估计的水力压裂微地震震源定位方法及系统。

背景技术：

在石油开采领域，微地震监测技术的应用主要是通过监测水力压裂过程中产生的微震信号，可以监测压裂过程，评价压裂效果，进而指导优化工程参数。随着常规优质资源的日益枯竭和工程技术的不断进步，低渗区油气、页岩气和煤层气的开发规模逐步扩大，作为提高生产井采收率甚至成功率的关键技术，水力压裂的需求也日趋火热。作为压裂过程监测和压裂效果评价的重要手段，压裂微地震监测技术在近几年得到了广泛的关注和研究。微地震监测的最终目标是确定压裂裂缝开裂的位置(震源定位)以及压裂裂缝的破裂方式(震源机制反演)。震源定位方法多种多样，主要有两个分支：一是基于走时数据，利用反演原理；二是利用波形数据，借用偏移成像原理。

然而虽然基于走时数据的走时方法高效、容易实现，但是受实际资料信噪比的影响，初始信息拾取困难。基于波形数据的波形定位方法虽然有较好的精度，但其定位精度仍受困于噪音的存在和未知的震源信号。

技术实现要素：

本发明的实施例提供一种基于信号估计的水力压裂微地震震源定位方法及系统，能够通过计算最小噪音能量，得到震源信号最佳估计的同时也实现了对震源进行精确定位。

为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：

第一方面，本发明实施例提供一种基于信号估计的水力压裂微地震震源定位方法，包括：

对震源空间进行网格离散，得到多个网格点；

分别计算所述震源信号从每个网格点传播到用于在微地震监测过程中记录震源信号的检波器的传播时间；

获取所述检波器记录的震源信号，根据获取的震源信号及计算出的所有传播时间分别进行信号估计，得到每个网格点的估计震源信号；

分别根据每个网格点的估计震源信号进行信号估计，得到每个网格点的平均噪声能量；

选取所述网格点的平均噪声能量符合预设条件的网格点的位置坐标作为定位结果。

较佳的，所述根据获取的震源信号及传播时间进行信号估计，得到每个网格点的估计震源信号包括：

根据获取的震源信号计算震源信号的平均噪音能量，并根据计算得到的震源信号的平均噪音能量进行信号估计，得到震源信号的估计震源信号；

计算震源信号的估计震源信号与获取的震源信号之间的偏差；

根据震源信号的估计震源信号与获取的震源信号之间的偏差和传播时间进行信号估计，得到所述网格点的估计震源信号。

较佳的，所述检波器为在微地震监测过程中记录震源信号的任一道检波器。

较佳的，所述选取所述网格点的平均噪声能量符合预设条件的网格点的位置坐标作为定位结果包括：选取所述网格点的平均噪声能量最小的网格点的位置坐标作为定位结果。

第二方面，本发明实施例提供一种基于信号估计的水力压裂微地震震源定位系统，其特征在于，包括离散模块、计算模块、获取估计模块、信号估计模块和选取模块；

所述离散模块，用于对震源空间进行网格离散，得到多个网格点；

所述计算模块，用于分别计算所述震源信号从每个网格点传播到用于在微地震监测过程中记录震源信号的检波器的传播时间；

所述获取估计模块，用于获取所述检波器记录的震源信号，根据获取的震源信号及计算出的所有传播时间分别进行信号估计，得到每个网格点的估计震 源信号；

所述信号估计模块，用于分别根据每个网格点的估计震源信号进行信号估计，得到每个网格点的平均噪声能量；

所述选取模块，用于选取所述网格点的平均噪声能量符合预设条件的网格点的位置坐标作为定位结果。

较佳的，所述获取估计模块，具体用于根据获取的震源信号计算震源信号的平均噪音能量，并根据计算得到的震源信号的平均噪音能量进行信号估计，得到震源信号的估计震源信号；计算震源信号的估计震源信号与获取的震源信号之间的偏差；根据震源信号的估计震源信号与获取的震源信号之间的偏差和传播时间进行信号估计，得到所述网格点的估计震源信号。

较佳的，所述检波器为在微地震监测过程中记录震源信号的任一道检波器。

所述选取模块，具体用于选取所述网格点的平均噪声能量最小的网格点的位置坐标作为定位结果。

本发明实施例提供的基于信号估计的水力压裂微地震震源定位方法及系统，通过对震源空间进行网格离散，分别计算所述震源信号从每个网格点传播到用于在微地震监测过程中记录震源信号的检波器的传播时间，获取所述检波器记录的震源信号，根据获取的震源信号及计算出的所有传播时间分别进行信号估计，得到每个网格点的估计震源信号，分别根据每个网格点的估计震源信号进行信号估计，得到每个网格点的平均噪声能量，选取所述网格点的平均噪声能量符合预设条件的网格点的位置坐标作为定位结果。在水力压裂微地震震源定位中引入了信号估计的思想，通过计算最小平均噪音能量，得到震源信号最佳估计的同时也实现了对震源进行精确定位。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付 出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于信号估计的水力压裂微地震震源定位方法流程图；

图2为实施例提供的基于信号估计的水力压裂微地震震源定位方法中步骤103的一种实现方法流程图；

图3为本发明实施例提供的另一种基于信号估计的水力压裂微地震震源定位方法流程图；

图4为本发明实施例提供的一种基于信号估计的水力压裂微地震震源定位系统结构图。

具体实施方式

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作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。

需要说明的是，本发明实施例是根据已知的检波器记录的震源信号s_n(t)、检波器位置(rx,ry,rz)以及地层速度v，在噪音信号N(t)无法测量的情况下，确定震源位置(sx,sy,sz)。检波器记录的震源信号为s_n(t)＝f(t-t_n)+N_n(t)，其中t_n表示震源信号从震源位置(sx,sy,sz)传播到第n道检波器位置(rx_n,ry_n,rz_n)的传播时间，所以t_n是震源位置、检波器位置以及震源和检波器之间地层速度的函数，即：t_n＝t_n(sx,sy,sz,rx_n,ry_n,rz_n,v)。将震源信号s_n(t)变换到频率域可以写为：$s_n\left(\mathrm{\ω}\right)=f\left(\mathrm{\ω}\right)e^{{\mathrm{j\ωt}}_n}+N_n\left(\mathrm{\ω}\right),$其中ω代表角频率。

本发明实施例提供了一种基于信号估计的水力压裂微地震震源定位方法，如图1所示，所示方法包括：

101、对震源空间进行网格离散，得到多个网格点。

所述步骤101在本发明实施例中可具体实现为，对震源空间进行网格离散，即对震源空间划分网格，每一个划分出的网格点都是潜在的震源位置，其中第i 个网格点的坐标记为(sx_i,sy_i,sz_i)。网格的大小决定了定位精度，网格越密，定位精度越高，但同时计算量也越大。对于地面微地震定位，10米网格大小是综合考虑定位精度和计算量后可以接受的选择。

102、分别计算所述震源信号从每个网格点传播到用于在微地震监测过程中记录震源信号的检波器的传播时间。

所述步骤102在本发明实施例中可具体实现为，在已知第i个网格点与第n个检波器之间的速度v的情况下，可以计算出震源信号从第i个网格点传播到第n个检波器的传播时间为：

$t_i^n=t_i^n({\mathrm{sx}}_i,{\mathrm{sy}}_i,{\mathrm{sz}}_i,{\mathrm{rx}}_n,{\mathrm{ry}}_n,{\mathrm{rz}}_n,v).$

103、获取所述检波器记录的震源信号，根据获取的震源信号及计算出的所有传播时间分别进行信号估计，得到每个网格点的估计震源信号。

所述步骤103在本发明实施例中可具体实现为，获取所述检波器记录的震源信号震源信号s_n(ω)，根据震源信号s_n(ω)及进行信号估计，第i个网格点对应的震源信号估计为${\hat{f}}_i\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{s}_n\left(\mathrm{\ω}\right)e^{-{\mathrm{i\ωt}}_i^n}.$

104、分别根据每个网格点的估计震源信号进行信号估计，得到每个网格点的平均噪声能量；

所述步骤104在本发明实施例中可具体实现为，根据每个网格点的估计震源信号进行信号估计，得到每个网格点的平均噪声能量：

$E_N\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{|s_n\left(\mathrm{\ω}\right)e^{-{\mathrm{i\ωt}}_i^n}-\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{s}_n\left(\mathrm{\ω}\right)e^{-{\mathrm{i\ωt}}_i^n}|}^2.$

105、选取所述网格点的平均噪声能量符合预设条件的网格点的位置坐标作为定位结果。

所述步骤105在本发明实施例中可具体实现为，选取所述网格点的平均噪声能量E_N(ω)符合预设条件的网格点的位置坐标(sx_i,sy_i,sz_i)作为定位结果。

在本发明实施例的另一种实现方式中，为了使定位结果能够更加精确，如图2所示，所述步骤103包括：

201、根据获取的震源信号计算震源信号的平均噪音能量，并根据计算得到的震源信号的平均噪音能量进行信号估计，得到震源信号的估计震源信号；

所述步骤201在本发明实施例中可具体实现为，根据获取的震源信号s_n(ω)利用平均噪音能量公式计算震源信号的平均噪音能量，得到震源信号的平均噪音能量：

$E_N\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{{|s}_n\left(\mathrm{\ω}\right)e^{-{\mathrm{i\ωt}}_n}-f\left(\mathrm{\ω}\right)|}^2$

其中N代表检波器的观测道数。利用计算出的平均噪音能量进行信号估计，得到震源信号的估计震源信号$\hat{f}\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{s}_n\left(\mathrm{\ω}\right)e^{-{\mathrm{i\ωt}}_n}.$

202、计算震源信号的估计震源信号与获取的震源信号之间的偏差；

所述步骤202在本发明实施例中可具体实现为，此时，计算得到的震源信号的估计震源信号与获取的震源信号之间的偏差为：

$\hat{f}\left(\mathrm{\ω}\right)-f\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{N}_n\left(\mathrm{\ω}\right)e^{-{\mathrm{i\ωt}}_n}.$

203、根据震源信号的估计震源信号与获取的震源信号之间的偏差和传播时间进行信号估计，得到所述网格点的估计震源信号。

所述步骤203在本发明实施例中可具体实现为，根据震源信号的估计震源信号与获取的震源信号之间的偏差$\hat{f}\left(\mathrm{\ω}\right)-f\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{N}_n\left(\mathrm{\ω}\right)e^{-{\mathrm{i\ωt}}_n}.$和传播时间进行信号估计，得到所述网格点的估计震源信号${\hat{f}}_i\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{s}_n\left(\mathrm{\ω}\right)e^{-{\mathrm{i\ωt}}_i^n}.$

在本发明实施例的另一种实现方式中，如图3所示，所述步骤105包括：

301、选取所述网格点的平均噪声能量最小的网格点的位置坐标作为定位结果。

所述步骤301在本发明实施例中可具体实现为，如果第i个网格点为真实震源位置，即sx_i＝sx,sy_i＝sy,sz_i＝sz，则相应地，

$t_i^n({\mathrm{sx}}_i,{\mathrm{sy}}_i,{\mathrm{sz}}_i,{\mathrm{rx}}_n,{\mathrm{ry}}_n,{\mathrm{rz}}_n,v)=t_n(\mathrm{sx},\mathrm{sy},\mathrm{sz},{\mathrm{rx}}_n,{\mathrm{ry}}_n,{\mathrm{rz}}_n,v),$

那么，${\hat{f}}_i\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{s}_n\left(\mathrm{\ω}\right)e^{-{\mathrm{i\ωt}}_i^n}=\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{s}_n\left(\mathrm{\ω}\right)e^{-{\mathrm{i\ϖt}}_n}=\hat{f}\left(\mathrm{\ω}\right),$所以震源信号的估计震源信号与获取的震源信号之间的偏差$\hat{f}\left(\mathrm{\ω}\right)-f\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{N}_n\left(\mathrm{\ω}\right)e^{-{\mathrm{i\ωt}}_n}=0,$此时的平均噪声能量是最小的。也就是说，如果第i个网格点为真实震源位置，那么它对应的平均噪声能量是最小的，同时得到的震源信号估计也是最佳震源信号估计，即平均噪声能量最小的网格点的位置坐标作为定位结果。

在本发明实施例的另一种实现方式中，本发明提供了一种基于信号估计的水力压裂微地震震源定位系统，如图4所示，包括离散模块401、计算模块402、获取估计模块403、信号估计模块404和选取模块405；

所述离散模块401，用于对震源空间进行网格离散，得到多个网格点；

所述离散模块401在本发明实施例中可具体实现为，对震源空间进行网格离散，即对震源空间划分网格，每一个划分出的网格点都是潜在的震源位置，其中第i个网格点的坐标记为(sx_i,sy_i,sz_i)。网格的大小决定了定位精度，网格越密，定位精度越高，但同时计算量也越大。对于地面微地震定位，10米网格大小是综合考虑定位精度和计算量后可以接受的选择。

所述计算模块402，用于分别计算所述震源信号从每个网格点传播到用于在微地震监测过程中记录震源信号的检波器的传播时间；

所述计算模块402在本发明实施例中可具体实现为，在已知第i个网格点与第n个检波器之间的速度v的情况下，可以计算出震源信号从第i个网格点传播到第n个检波器的传播时间为：

$t_i^n=t_i^n({\mathrm{sx}}_i,{\mathrm{sy}}_i,{\mathrm{sz}}_i,{\mathrm{rx}}_n,{\mathrm{ry}}_n,{\mathrm{rz}}_n,v).$

所述获取估计模块403，用于获取所述检波器记录的震源信号，根据获取的震源信号及计算出的所有传播时间分别进行信号估计，得到每个网格点的估计 震源信号；

所述获取估计模块403在本发明实施例中可具体实现为，获取所述检波器记录的震源信号震源信号s_n(ω)，根据震源信号s_n(ω)及进行信号估计，第i个网格点对应的震源信号估计为${\hat{f}}_i\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{s}_n\left(\mathrm{\ω}\right)e^{-{\mathrm{i\ωt}}_i^n}.$

所述信号估计模块404，用于分别根据每个网格点的估计震源信号进行信号估计，得到每个网格点的平均噪声能量；

所述信号估计模块404在本发明实施例中可具体实现为，根据每个网格点的估计震源信号进行信号估计，得到每个网格点的平均噪声能量：

$E_N\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{|s_n\left(\mathrm{\ω}\right)e^{-{\mathrm{i\ωt}}_i^n}-\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{s}_n\left(\mathrm{\ω}\right)e^{-{\mathrm{i\ωt}}_i^n}|}^2.$

所述选取模块405，用于选取所述网格点的平均噪声能量符合预设条件的网格点的位置坐标作为定位结果。

所述选取模块405在本发明实施例中可具体实现为，选取所述网格点的平均噪声能量E_N(ω)符合预设条件的网格点的位置坐标(sx_i,sy_i,sz_i)作为定位结果。

在本发明实施例的另一种实现方式中，为了使定位结果能够更加精确，所述获取估计模块403，具体用于根据获取的震源信号计算震源信号的平均噪音能量，并根据计算得到的震源信号的平均噪音能量进行信号估计，得到震源信号的估计震源信号；计算震源信号的估计震源信号与获取的震源信号之间的偏差；根据震源信号的估计震源信号与获取的震源信号之间的偏差和传播时间进行信号估计，得到所述网格点的估计震源信号。

所述获取估计模块403在本发明实施例中可具体实现为，根据获取的震源信号s_n(ω)利用平均噪音能量公式计算震源信号的平均噪音能量，得到震源信号的平均噪音能量：

$E_N\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{{|s}_n\left(\mathrm{\ω}\right)e^{-{\mathrm{i\ωt}}_n}-f\left(\mathrm{\ω}\right)|}^2$

其中N代表检波器的观测道数。利用计算出的平均噪音能量进行信号估计，得到震源信号的估计震源信号$\hat{f}\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{s}_n\left(\mathrm{\ω}\right)e^{-{\mathrm{i\ωt}}_n}.$

此时，计算得到的震源信号的估计震源信号与获取的震源信号之间的偏差为：$\hat{f}\left(\mathrm{\ω}\right)-f\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{N}_n\left(\mathrm{\ω}\right)e^{-{\mathrm{i\ωt}}_n}.$

根据震源信号的估计震源信号与获取的震源信号之间的偏差$\hat{f}\left(\mathrm{\ω}\right)-f\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{N}_n\left(\mathrm{\ω}\right)e^{-{\mathrm{i\ωt}}_n}$和传播时间$t_i^n=t_i^n({\mathrm{sx}}_i,{\mathrm{sy}}_i,{\mathrm{sz}}_i,{\mathrm{rx}}_n,{\mathrm{ry}}_n,{\mathrm{rz}}_n,v)$进行信号估计，得到所述网格点的估计震源信号${\hat{f}}_i\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{s}_n\left(\mathrm{\ω}\right)e^{-{\mathrm{i\ωt}}_i^n}.$

在本发明实施例的另一种实现方式中，所述选取模块405，具体用于选取所述网格点的平均噪声能量最小的网格点的位置坐标作为定位结果。

所述选取模块405在本发明实施例中可具体实现为，如果第i个网格点为真实震源位置，即sx_i＝sx,sy_i＝sy,sz_i＝sz，则相应地$t_i^n({\mathrm{sx}}_i,{\mathrm{sy}}_i,{\mathrm{sz}}_i,{\mathrm{rx}}_n,{\mathrm{ry}}_n,{\mathrm{rz}}_n,v)=t_n(\mathrm{sx},\mathrm{sy},\mathrm{sz},{\mathrm{rx}}_n,{\mathrm{ry}}_n,{\mathrm{rz}}_n,v),$那么，

${\hat{f}}_i\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{s}_n\left(\mathrm{\ω}\right)e^{-{\mathrm{i\ωt}}_i^n}=\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{s}_n\left(\mathrm{\ω}\right)e^{-{\mathrm{i\ϖt}}_n}=\hat{f}\left(\mathrm{\ω}\right)$

所以震源信号的估计震源信号与获取的震源信号之间的偏差$\hat{f}\left(\mathrm{\ω}\right)-f\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{N}_n\left(\mathrm{\ω}\right)e^{-{\mathrm{i\ωt}}_n}=0,$此时的平均噪声能量是最小的。也就是说，如果第i个网格点为真实震源位置，那么它对应的平均噪声能量是最小的，同时得到的震源信号估计也是最佳震源信号估计，即平均噪声能量最小的网格点的位置坐标作为定位结果。

通过以上的实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或 者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在可读取的存储介质中，如计算机的软盘，硬盘或光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。