一种井中微地震P、S波联合快速定位方法及系统与流程

本发明涉及井中微地震定位处理领域，尤其涉及一种井中微地震P、S波联合快速定位方法及系统。

背景技术：

微地震压裂监测技术是非常规致密砂岩气、页岩气藏储层油气田开发中的关键技术之一，根据反演定位出的震源信息，可以获得裂缝属性(主应力走向、裂缝宽度、密度等)，用来评价压裂效果，分析裂缝诱发规律，优化布井等。因此，在微地震信号处理中，最终目的是震源定位，亦称为微地震信号处理最核心技术。

井中微地震监测是微地震观测方式之一，特点是井下三分量接收，微地震资料较高，接收到的震源个数与类型较丰富。目前，井中微地震定位技术主要有两种思路：

一是基于P波、S波事件旅行时正演，代表算法有网络搜索法、模拟退火法、geiger法等，优点是容易实现，缺点是由于初至相位信号弱导致P波、S波事件旅行时难以准确拾取，影响定位结果；

第二种定位思路是基于波动方程褶积，代表算法有干涉法、逆时偏移法、被动源成像法，优点是不需要拾取事件初至，缺点是对资料信噪比、速度模型要求高，计算成本高。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种井中微地 震P、S波联合快速定位方法及系统。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种井中微地震P、S波联合快速定位方法，包括如下步骤：

a、获取同一事件微地震数据，对同一事件微地震数据进行矢量分解，获得两个三分量检波器的垂向方位角；

b、根据snell定律，建立三分量检波器为起点的垂向深度H与水平距离L之间的函数关系；

c、建立与震源点位置有关P&S波深度目标函数，通过扫描深度，使得目标函数最小，计算出震源点相对三分量检波器垂直深度与水平距离，实现P、S波联合快速定位。

本发明的有益效果是：本发明提供了一种简单的基于矢量分解的井中微地震事件识别方法，仅仅利用两个检波器垂向方位角，根据snell定律，建立震源点位置有关P&S波深度目标函数，通过扫描深度，使得目标函数最小，就能实现P、S波联合快速定位。

本发明解决上述技术问题的另一技术方案如下：一种井中微地震P、S波联合快速定位系统，包括数据采集模块、矢量分解模块、函数建立模块和结果计算模块；

所述数据采集模块，其用于获取同一事件微地震数据；

所述矢量分解模块，其用于对同一事件微地震数据进行矢量分解，获得两个三分量检波器的垂向方位角；

所述函数建立模块，其用于根据snell定律，建立三分量检波器为起点的垂向深度H与水平距离L之间的函数关系；

所述结果计算模块，其用于建立与震源点位置有关P&S波深度目标函数，通过扫描深度，使得目标函数最小，计算出震源点相对三分量检波器垂直深度与水平距离，实现P、S波联合快速定位。

附图说明

图1-1是本发明实现井中微地震P、S波快速定位操作流程图；

图1-2是本发明实现井中微地震P、S波快速定位操作系统框图；

图2是井中微地震垂直观测示意图：多个震源、两个检波器▲；

图3-1是井中微地震模型三分量数据中的X分量；

图3-2是井中微地震模型三分量数据中的Y分量；

图3-3是井中微地震模型三分量数据中的Z分量；

图4-1是井中微地震模型数据矢量分解中的P分量；

图4-2是井中微地震模型数据矢量分解中的S分量；

图5是无噪音“X”型所有震源点矢量分解后获得的垂向方位角列表；

图6是纵横波速度模型列表；

图7是本发明对无噪音“X”型所有震源点P、S波联合快速定位结果示意图显示；

图8是无噪音“X”型模型点P、S波联合快速定位误差直方图(横坐标为震源序号，纵坐标为反演值与真实值误差)；

图9-1是对井中微地震模型Z分量数据增加随机噪音；

图9-2是对井中微地震模型X分量数据增加随机噪音；

图9-3是对井中微地震模型Y分量数据增加随机噪音；

图10-1是含噪音模型矢量分解中的P分量；

图10-2是含噪音模型矢量分解中的S分量；

图11是含噪音模型所有震源点矢量分解后获得的垂向方位角列表；

图12是本发明对含噪音模型所有震源点P、S波联合快速定位结果示意图显示；

图13是含噪音模型点P、S波联合快速定位误差直方图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

井中微地震三分量预处理包括：偏振分析、旋转、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“合力与分力”关系，将三分量矢量信号，“合力”成沿波传播方向P波或垂直波传播方向S波标量信息，同时产生垂向方位角。本发明正是利用基于矢量分解垂向方位角，试图利用不同检波器P波、S波传播射线路径几何交集方式，来实现震源定位。

井中微地震三分量信号，具有压裂震源位置未知、震源震相类型未知、P/S波事件混杂等特点，其矢量分解过程就是将三个分量上矢量信息“合并”成一个标量，并将众多P波、S波事件分离开。同时，该过程会产生与波传播方向有关的垂向方位角，本发明正是利用这一特点，结合snell定律，沿着不同检波器波传播路径逆向方向，建立与震源有关的目标方程，快速求解，实现P、S波联合定位。

首先假设，震源点激发P波和S波信号，达到观测井三分量检波器之前，还属于标量波，当三分量X、Y、Z检波器接收信号之后，变成三个方向两两垂直的矢量波，而矢量分解可以看成是其逆过程，即由X、Y分量计算几何合力R与切向剩余T、再计算Z分量与R几何合力P与切向S，同时产生两个空间方位角：水平方位角、垂向方位角。其中，物理意义上，垂向方位角代表波传播方向与检波器垂直向下Z分量之间交角。

如图1-1所示，一种井中微地震P、S波联合快速定位方法，包括如下步骤：

第一步：获取同一事件微地震数据，对同一事件微地震数据进行矢量分解，计算出两个三分量检波器P波垂直方位角θ₁、θ₂和一个检波器S波垂向 方位角β₂；

具体地，首先对井中微地震两个检波器三分量X、Y、Z包含P、S波事件数据进行矢量分解(其中，两个检波器三分量接收到来自同一个P&S波联合震源信息，数据上表现为两组三分量接收到了代表P波、S波事件的脉冲波形数据)，获得两组沿波传播方向P波、垂直波传播方向S波，以及两个检波器的P波垂向方位角θ₁、θ₂与一个检波器S波垂向方位角β₂；

其中，所述矢量分解采用矢端曲线-直方图法实现，具体如下：

设置一个时窗，包含了P波事件，对三分量检波器X、Y分量振幅值(x_i,y_i)作偏振分析；定义瞬时能量E_i和瞬时方位φ_i：

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

tgφ_i＝y_i/x_i (2)

首先，根据上式，计算出每个样点瞬时方位φ_i与瞬时能量E_i，同时作出瞬时能量E_i对瞬时方位φ_i的直方图；然后，画出(x_i,y_i)振幅值坐标系连线图，即矢端曲线图，对其进行线性拟合，估算出倾角范围；最后，参考倾角范围，在E_i、φ_i直方图中寻找瞬时能量最大值的位置，此时与其对应的角度φ，即为三分量检波器相对波传播方向水平方位角；

利用三分量检波器相对波传播方向水平方位角φ，对X、Y分量进行旋转处理，获得水平径向R与切向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分别为旋转后水平径向、切向分量瞬时振幅；

同样，对检波器Z分量、水平径向R分量振幅值(Z_i,R_i)作偏振分析，画出(Z_i,R_i)振幅值连线图，即矢端曲线图，对其进行线性拟合，估算出倾角范围；参考倾角范围，在直方图中寻找瞬时能量最大值的位置，求出其对应的检波器相对波传播方向垂向方位角θ，即完成矢量分解与计算垂向方位角；

对观测井任意两个三分量检波器P波进行矢量分解，获得相应垂向方位角为θ₁、θ₂，同时，对其中一个检波器S波进行矢量分解，获得垂向方位角β₂。

第二步：由已知地层介质速度模型，根据snell定律，从三分量检波器出发，沿波传播路径逆方向，建立以三分量检波器为起点的垂向深度H与水平距离L之间的函数关系，对应有两个P波函数L_P1＝f_P1(H)、L_P2＝f_P2(H)与一个S波函数L_S2＝f_S2(H)；

具体地，建立函数关系的具体实现如下：

假设两个检波器之间垂直距离为h₀，给出距离第二个检波器地下任意深度H，根据声波测井，分成从浅到深N层纵横波速度层[Vp₁,Vp₂,......,Vp_N-1,Vp_N]、[Vs₁,Vs₂,......,Vs_N-1,Vs_N]，且深度H亦分为相应N层[H₁,H₂,......,H_N-1,H_N]；

根据snell定律，由两个P波垂向方位角θ₁、θ₂与一个S波垂向方位角β₂，得到与深度H有关的水平距离：

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

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

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

其中，L_P1、L_P2分别为浅层、深层三分量检波器任意深度H对应的P波传播距离检波器径向水平距离，L_S2为深层检波器任意深度H对应的S波传播距离检波器径向水平距离。

第三步：设置与震源位置有关的目标函数OPJ＝||f_P1(H)-f_P2(H)||+||f_P1(H)-f_S2(H)||，当OPJ→0时，快速计算出最优解深 度H₀与相应水平距离L₀＝(f_P1(H₀)+f_P2(H₀)+f_S2(H₀))/3，即所求为震源点相对三分量检波器垂直深度与水平距离。

具体地，计算震源点相对三分量检波器垂直深度与水平距离的具体实现为：

建立与震源位置有关的目标函数，快速计算出最优解深度H₀与相应水平距离L₀＝(f_P1(H₀)+f_P2(H₀)+f_S2(H₀))/3，实现P、S波联合定位，目标函数如下：

OPJ(H)＝(L_P1-L_P2)+(L_P1-L_S2)

(7)

＝(f_P1(H)-f_P2(H))+(f_P1(H)-f_S2(H))

当OPJ→0时，表示一个检波器P波水平距离同时与另一个检波器P波、S波水平距离相交，该交点位置即为震源位置。

其中，快速计算出最优解深度H₀与相应水平距离L₀采用牛顿二分法，具体实现如下：

快速找出两个深度H₁、H₂，使得OPJ(H₁)·OPJ(H₂)≤0；

选取中间值H₃＝(H₁+H₂)/2，比较OPJ(H₁)、OPJ(H₂)、OPJ(H₃)，如果OPJ(H₁)·OPJ(H₃)≤0，则令新的深度组合H₁＝H₁、H₂＝H₃，如果OPJ(H₂)·OPJ(H₃)≤0，则令新的深度组合H₁＝H₂、H₂＝H₃；

重新计算中间值目标函数，再进行比较，如此迭代，直至最后符合收敛误差，得到最优解H₀＝(H₁+H₂)/2，代入目标函数，计算出最优水平距离L₀＝(f_P1(H₀)+f_P2(H₀)+f_S2(H₀))/3，实现P、S波联合快速定位。

如图1-2所示，一种井中微地震P、S波联合快速定位系统，包括数据采集模块、矢量分解模块、函数建立模块和结果计算模块；

所述数据采集模块，其用于获取同一事件微地震数据；

所述矢量分解模块，其用于对同一事件微地震数据进行矢量分解，获得两个三分量检波器的垂向方位角；

所述函数建立模块，其用于根据snell定律，建立三分量检波器为起点 的垂向深度H与水平距离L之间的函数关系；

所述结果计算模块，其用于建立与震源点位置有关P&S波深度目标函数，通过扫描深度，使得目标函数最小，计算出震源点相对三分量检波器垂直深度与水平距离，实现P、S波联合快速定位。

下面用井中微地震模型数据来验证本发明P、S波脸很快速定位处理效果。

如图2所示，由两个三分量检波器和一组“X”型震源点组成。

图3-1至图3-3为模拟的中心震源点处井中微地震三分量数据，包含一组P、S波信息，即同时激发P波、S波。

图4-1和图4-2是对图3-1至图3-3中X、Y、Z三分量进行矢量分解结果。可以看出，图中P分量主要包含P波信息、S分量主要包含S波信息，实现了从原始矢量到沿波传播与垂直传播方向标量P波、S波。对所有震源点进行矢量分解，除了获得各自P波、S波信息外，同时获得一组垂向方位角，如图5所示。

然后，由已知速度模型(实际上可以从声波测井中获得)(参加图6)，设置较深检波器为原点，根据公式(4)、(5)、(6)，计算深度从H＝0开始，对应检波器P波、S波水平距离，再根据公式(7)，计算三条有关H函数曲线交点，对应的深度、水平距离即为所求的震源点位置。图7为通过本发明方法计算出所有震源点位置示意图，而图8则是对应误直方图，可以看出，绝大数震源点定位误差在1米以内，说明了本发明震源定位的可行性。

最后，给模型增加随机噪音，如图9-1至图9-3所示，分析噪音对本发明震源定位结果敏感性。同样，根据流程图1，对含有噪音数据进行矢量分解(如图10-1和图10-2)，获得垂向方位角(如图11)。再根据垂向方位角，开展P、S波联合定位，反演出所有震源点位置，如图12所示。而图13是图12反演结果与真实位置误差直方图，可以看出，最大误差为，但是 大多数误差都在3米以内，说明了本发明对噪音存在一定抗噪性，有一定程度的实用价值。

综上所述，本发明提出“合力”与“分离”假设，完成井中微地震三分量矢量分解，获得关键的、代表P波、S波传播方向与检波器Z分量交角的垂向方位角。利用该方位角，结合snell定律，建立与震源位置有关的目标方程，通过牛顿二分法，快速反演出震源点位置，实现井中微地震P&S波联合定位处理。模型数据测试，说明了本发明定位处理简单、易行，同时对噪音敏感分析，亦说明本发明具有一定程度抗噪性，为井中微地震野外现场实时快速处理提供技术支撑。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。