一种各向异性介质纵横波联合定位方法与流程

本发明涉及井中微地震信号处理领域，更具体地，涉及一种各向异性介质纵横波联合定位方法。
背景技术：
：井中微地震监测是微地震观测方式之一，特点是井下三分量检波器接收微地震全波场信号，相对于地面微地震监测，井中接收到的数据信噪比较高、微地震事件个数与类型较丰富，但是缺点是井下检波器方位未知，导致检波器x分量、y分量微地震数据杂乱无序，影响后续定位处理。同时，由于井中微地震观测距离较短(一般在200～1000米范围左右)且检波器个数有限(一般12～32级三分量井中检波器)，导致一些井中微地震定位容易出现不稳定、精度不高等现象。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。以上方法适用于基于各向同性均匀介质，但是在非常规致密砂岩气、页岩气藏储层压裂微地震开发中，地层存在非均质性，属于各向异性介质，微地震纵横波走时及传播路径不同于各向同性，用目前定位方法导致微地震事件定位不准。为了解决该难题，本发明提出一种各向异性介质纵横波联合定位方法。公开于本发明
背景技术：
部分的信息仅仅旨在加深对本发明的一般
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的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。技术实现要素：根据煤层气、页岩气等非常规微地震监测需要，井中微地震定位方法须考虑地层各向异性对纵横波走时影响，消除或减少微地震事件定位不稳定性、不准确。因此，本发明提供了一种各向异性介质纵横波联合定位方法，通过先对射孔开展各向异性定位分析，获得新型定位公式加权系数与初始各向异性速度模型；然后对微地震事件直接定位处理，获得微地震事件初始空间位置；再利用层析思路，考虑地层非均值性，不断地修正各向异性速度模型，同时反演微地震事件空间位置，直至走时误差最小，最终获得精度更高的微地震事件定位结果。根据本发明的各向异性介质纵横波联合定位方法可以包括以下步骤：1)利用拾取的射孔微地震信号纵波走时tshoot,p、横波走时tshoot,s作为观测值，建立纵横波联合定位目标方程opj，开展基于已知射孔空间位置的各向异性参数值和垂向纵横波速度值进行反演，获得初始定位速度模型vmodel＝{ε,δ,vp0,vs0}以及所述纵横波联合定位目标方程opj中的权系数的大小关系；2)利用微地震事件纵波走时tevent,p、横波走时tevent,s作为观测值，根据所述纵横波联合定位目标方程opj建立微地震事件各向异性纵横波联合定位目标方程opjevent，输入所述初始定位速度模型vmodel以及满足大小关系的权系数的数值，开展微地震事件空间位置rtevent＝{levent,zevent}的反演，其中，levent为微地震事件水平距离，zevent为微地震事件深度距离；3)以所述微地震事件空间位置rtevent为定位中心，在设定范围内对所述初始定位速度模型vmodel修正各向异性参数，同时再次反演微地震事件空间位置，得到再定位的微地震事件空间位置rt*event＝{l*event,z*event}以及对应的修正后的速度模型v*model＝{ε*,δ*,vp0,vs0}。优选地，所述纵横波联合定位目标方程opj为：opj＝opjp·w1+opjps·w2+opjs·w3(1)opjp＝|tshoot,p-tshoot,pi|(2)opjps＝|(tshoot,p-tshoot,s)-(tshoot,pi-tshoot,si)|(3)opjs＝|tshoot,s-tshoot,si|(4)其中，tshoot,pi、tshoot,si分别为射孔微地震信号纵波走时的反演数值和横波走时的反演数值；opjp、opjps、opjs分别为常规纵波走时定位方程、常规纵横波走时时差定位方程、常规横波走时定位方程；w1、w2、w3分别是opjp、opjps、opjs三个方程的权系数。优选地，所述步骤1)包括同时求解以下四个方程，计算各向异性速度模型vmodel＝{ε,δ,vp0,vs0}：优选地，通过最小二乘法求解方程(5)～(8)。优选地，权系数w1、w2、w3的值通过以下步骤来确定：1’)令w1＝n、w2＝1、w3＝1，其中，n为自然数且n＞＞1，利用目标方程(1)，反演出射孔位置rtshoot,1＝{lshoot,1,zshoot,1}，统计射孔定位误差δrtshoot,1＝|lshoot,1-lshoot,0|+|zshoot,1-zshoot,0|，其中{lshoot,0,zshoot,0}为射孔真实的径向、深度位置；2’)令w2＝n、w1＝1、w3＝1，其中，n为自然数且n＞＞1，利用目标方程(1)，反演出射孔位置rtshoot,2＝{lshoot,2,zshoot,2}，统计射孔定位误差δrtshoot,2＝|lshoot,2-lshoot,0|+|zshoot,2-zshoot,0|；3’)令w3＝n、w1＝1、w2＝1，其中，n为自然数且n＞＞1，利用目标方程(1)，反演出射孔位置rtshoot,3＝{lshoot,3,zshoot,3}，统计射孔定位误差δrtshoot,3＝|lshoot,3-lshoot,0|+|zshoot,3-zshoot,0|，基于δrtshoot,1、δrtshoot,2、δrtshoot,3的大小关系确定w1、w2、w3的大小关系。优选地，基于所确定的权系数w1、w2、w3的大小关系，建立微地震事件各向异性纵横波联合定位目标方程opjevent：opjevent＝opjp·w1+opjps·w2+opjs·w3(9)opjp＝|tevent,p-tevent,pi|(10)opjps＝|(tevent,p-tevent,s)-(tevent,pi-tevent,si)|(11)opjs＝|tevent,s-tevent,si|(12)其中，tevent,pi、tevent,si分别为微地震事件纵波初至时间的反演数值和横波初至时间的反演数值，tevent,p、tevent,s分别为微地震事件纵波初至时间的观测真实值和横波初至时间的观测真实值。优选地，所述步骤2)包括同时求解以下两个方程，计算微地震事件空间位置rtevent＝{levent,zevent}：通过网格搜索法来求解方程(13)～(14)：优选地，基于射孔定位速度模型vmodel建立网格，将每个网格位置作为微地震事件可能位置，利用射线追踪计算出每个网格点处微地震事件纵横波初至走时tevent,pi、tevent,si，统计与微地震事件观测真实值之间误差，误差最小对应的网格位置即为所述微地震事件空间位置rtevent＝{levent,zevent}。优选地，所述步骤3)包括同时求解以下四个方程，得到再定位的微地震事件空间位置rt*event＝{l*event,z*event}以及对应的修正后的速度模型v*model＝{ε*,δ*,vp0,vs0}：优选地，通用网格搜索法来求解方程(15)～(18)：以所述微地震事件空间位置为中心建立网格，在射孔定位各向异性速度模型vmodel基础上，在设定范围内针对所有各向异性参数可能值反演对应的微地震事件空间位置，相应地射线追踪出纵横波初至走时，并与真实观测走时值比较以计算走时误差，将可能走时误差最小值对应的微地震事件空间位置与各向异性参数确定为再定位的微地震事件空间位置rt*event＝{l*event,z*event}与对应的修正后的速度模型v*model＝{ε*,δ*,vp0,vs0}。根据本发明的各向异质介质纵横波联合定位方法满足了煤层气、页岩气等非常规微地震监测需要，通过设置新型加权定位公式，使径向、深度定位误差进一步减少，获得了更高精度的定位结果。本发明的方法和装置具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施例中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施例中进行详细陈述，这些附图和具体实施例共同用于解释本发明的特定原理。附图说明通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。图1为根据本发明的示例性实施方案的各向异性介质纵横波联合定位方法的流程图；图2为射孔、检波器、微地震事件观测侧视图，其中，▲表示射孔、◆表示检波器、●表示事件；图3为基于射孔定位分析的初始地层参数模型的本发明的微地震事件定位结果示意图；图4为图3的定位结果误差统计；图5为基于图3的初始结果，利用本发明对微地震事件作层析再定位的结果示意图；图6是图5的定位结果误差统计。具体实施方式下面将参照附图更详细地描述本发明。虽然附图中显示了本发明的优选实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。本文发明提供了一种基于各向异性介质纵横波走时联合定位方法，实现该方法包含以下三个步骤：第一步是各向异性介质射孔定位分析，由已经射孔纵横波走时，建立新型加权定位目标方程，通过试算与误差对比，确定加权系数，然后反演各向异性参数与纵横波速度，最后输出基于射孔定位分析的各向异性速度模型vmodel＝{ε,δ,vp0,vs0}；第二步是利用射孔定位各向异性速度模型，以微地震事件纵横波观测走时为目标，采用射孔新型加权定位公式，假设介质是均匀层，直接对微地震事件定位处理，获得初始定位结果rtevent＝{levent,zevent}；第三步是各向异性微地震层析定位，即：以第二步微地震事件定位结果作为约束，以射孔新型加权定位方程作为目标方程，以速度模型vmodel各向异性参数为中心，给定一组范围，同时反演微地震事件空间位置与各向异性速度模型，直至反演出的纵横波走时无限接近观测真实值，即实现微地震事件层析定位rt*event＝{l*event,z*event}以及对应的修正后的速度模型v*model＝{ε*,δ*,vp0,vs0}。以下参考图1详细描述根据本发明示例性实施例的各向异性介质纵横波联合定位方法的流程图。该方法主要包括：步骤1：利用拾取的射孔微地震信号纵波走时tshoot,p、横波走时tshoot,s作为观测值，建立纵横波联合定位目标方程opj，开展基于已知射孔空间位置的各向异性参数值和垂向纵横波速度值进行反演，获得初始定位速度模型vmodel＝{ε,δ,vp0,vs0}以及所述纵横波联合定位目标方程opj中的权系数的大小关系。纵横波联合定位目标方程opj由三部分组成：opj＝opjp·w1+opjps·w2+opjs·w3(1)opjp＝|tshoot,p-tshoot,pi|(2)opjps＝|(tshoot,p-tshoot,s)-(tshoot,pi-tshoot,si)|(3)opjs＝|tshoot,s-tshoot,si|(4)其中，tshoot,pi、tshoot,si分别为射孔微地震信号纵波走时的反演数值和横波走时的反演数值，通过给定速度模型vmodel＝{ε,δ,vp0,vs0}和各向异性介质射线追踪正演获得；opjp、opjps、opjs分别为常规纵波走时定位方程、常规纵横波走时时差定位方程、常规横波走时定位方程；w1、w2、w3分别是opjp、opjps、opjs三个方程的权系数。通过寻找合适定位速度模型vmodel，使得目标方程opj趋近于零值，此时纵横波走时对应的震源点位置，即为反演出的射孔位置，其数学表达式为：方程(5)～(8)通常利用最小二乘法来求解，其结果输出基于射孔定位分析的各向异性速度模型vmodel＝{ε,δ,vp0,vs0}。为了实现opj反演，针对具体微地震数据，需选择合适的权系数w1、w2、w3，通过试算来确定。第一种试算：令w1＝n、w2＝1、w3＝1，其中，n为自然数且n＞＞1，利用目标方程(1)，反演出射孔位置rtshoot,1＝{lshoot,1,zshoot,1}，统计射孔定位误差δrtshoot,1＝|lshoot,1-lshoot,0|+|zshoot,1-zshoot,0|，其中{lshoot,0,zshoot,0}为射孔真实的径向、深度位置；第二种试算：令w2＝n、w1＝1、w3＝1，其中，n为自然数且n＞＞1，利用目标方程(1)，反演出射孔位置rtshoot,2＝{lshoot,2,zshoot,2}，统计射孔定位误差δrtshoot,2＝|lshoot,2-lshoot,0|+|zshoot,2-zshoot,0|；第三种试算：令w3＝n、w1＝1、w2＝1，其中，n为自然数且n＞＞1，利用目标方程(1)，反演出射孔位置rtshoot,3＝{lshoot,3,zshoot,3}，统计射孔定位误差δrtshoot,3＝|lshoot,3-lshoot,0|+|zshoot,3-zshoot,0|。基于δrtshoot,1、δrtshoot,2、δrtshoot,3的大小关系确定w1、w2、w3的大小关系：比较三种情况射孔定位误差，假如有：δrtshoot,1≥δrtshoot,2≥δrtshoot,3，则权系数关系为：w1＜＜w2＜＜w3，根据此关系选择合适的权系数，例如可以赋值为：w1＝1、w2＝30、w3＝300；其余射孔定位误差大小关系同样操作，类似地选择合适的对应的权系数。确定权系数w1、w2、w3后，根据目标方程opj(公式(1))以及上述反演过程，就能反演出精度较高的射孔位置，同时获得相应的射孔各向异性定位速度模型vmodel＝{ε,δ,vp0,vs0}。步骤2：利用微地震事件纵波走时tevent,p、横波走时tevent,s作为观测值，根据所述纵横波联合定位目标方程opj建立微地震事件各向异性纵横波联合定位目标方程opjevent，输入所述初始定位速度模型vmodel以及满足大小关系的权系数w1、w2、w3的数值，开展微地震事件空间位置rtevent＝{levent,zevent}的反演，其中，levent为微地震事件水平距离，zevent为微地震事件深度距离。即，利用新型纵横波联合定位目标方程opj，以基于射孔定位各向异性速度模型为初始速度模型，开展微地震事件各向异性纵横波联合定位处理，以此获得微地震事件初始定位结果rtevent。假设微地震事件所在位置各向异性参数、速度等与射孔位置参数相同，微地震事件定位所需速度模型，采取直接用射孔定位速度模型vmodel来代替，利用射孔各向异性纵横波联合定位目标方程opj的权系数，开展微地震事件各向异性纵横波联合定位处理，基于所确定的权系数w1、w2、w3的大小关系，建立微地震事件各向异性纵横波联合定位目标方程opjevent：opjevent＝opjp·w1+opjps·w2+opjs·w3(9)opjp＝|tevent,p-tevent,pi|(10)opjps＝|(tevent,p-tevent,s)-(tevent,pi-tevent,si)|(11)opjs＝|tevent,s-tevent,si|(12)其中，tevent,pi、tevent,si分别为微地震事件纵波初至时间的反演数值和横波初至时间的反演数值，tevent,p、tevent,s分别为微地震事件纵波初至时间的观测真实值和横波初至时间的观测真实值，权系数w1、w2、w3的值为步骤1中所确定的值。根据假设，速度模型此时已知，微地震事件定位仅为事件空间位置径向、深度反演过程：可以用常见的网格搜索法来求解上述两个偏导方程，即：以射孔定位速度模型vmodel为参考，根据定位精度需求，建立网格；将每个网格位置作为微地震事件可能位置，利用射线追踪，计算出每个网格点处微地震事件纵横波初至走时tevent,pi、tevent,si，统计与微地震事件观测真实值之间误差，寻找误差最小对应的网格位置，即为所求微地震事件空间位置levent、zevent。步骤3：以所述微地震事件空间位置rtevent为定位中心，在设定范围内对所述初始定位速度模型vmodel修正各向异性参数，同时再次反演微地震事件空间位置，得到再定位的微地震事件空间位置rt*event＝{l*event,z*event}以及对应的修正后的速度模型v*model＝{ε*,δ*,vp0,vs0}。即，开展微地震事件层析定位处理，以此获得精度更高的微地震事件空间位置rt*event与修正后的速度模型v*model。由于微地震事件所在位置各向异性参数与射孔所在位置存在细微差异，这种差异导致用射孔定位各向异性速度模型进行微地震事件定位，其结果会偏离真实事件位置。为了解决这种差异，提出各向异性介质微地震事件层析定位，目标方程如同公式(9)表示的opjevent。不同的是，除了反演微地震事件空间位置径向、深度之外，同时反演速度模型中的各向异性参数，即：可以用网格搜索法来求解上述四组偏导方程，具体过程为：在可能的微地震事件位置，根据精度要求，建立网格，在射孔定位各向异性速度模型vmodel基础上，给各向异性参数(ε、δ)一定取值范围[ε-δε,ε+δε]、[δ-δδ,δ+δδ]，针对该范围内所有ε、δ可能值，反演对应的微地震事件空间位置径向、深度，相应地射线追踪出纵横波初至走时，并与真实观测走时值比较，计算走时误差，寻找所有可能走时误差最小时，对应的微地震事件空间位置与各向异性参数，即为最终反演出的事件层析定位结果rt*event＝{l*event,z*event}与其修正后的速度模型v*model＝{ε*,δ*,vp0,vs0}。应用示例为便于理解本发明实施例的方案及其效果，以下给出一个具体应用示例。本领域技术人员应理解，该示例仅为了便于理解本发明，其任何具体细节并非意在以任何方式限制本发明。下面用井中微地震模型数据来验证本发明的各向异性介质纵横波联合定位方法的准确性。本次井中微地震观测例子为14级井下检波器监测微地震信号、1个已知射孔信号与21个事件信号，其观测系统径向、深度坐标几何关系如图2所示，表1为不同震源点位置对应的各向异性参数ε、δ。表1不同震源点位置对应的各向异性参数ε利用高精度射线追踪算法，根据图2所示的观测方式与表1所示的各向异性参数正演出每个震源点达到检波器的纵横波走时，作为已知观测值输入来开展本发明的方法(注：本发明不考虑横向变化速度影响，即vti介质，因此计算走时之前，纵横波垂向速度为已知)。首先，根据公式(1)～(8)，开展已知射孔位置各向异性纵横波联合定位反演。具体通过试算不同加权系数反演公式，对比定位结果误差，来确定加权系数关系，设置加权系数w1＝350,w2＝1,w3＝35，重新对射孔进行定位反演，获得各向异性初始模型，该过程定位反演结果如表2所示。表2定位反演结果加权系数比例关系射孔径向坐标反演值(米)射孔深度坐标反演值(米)w1＝100,w2＝1,w3＝12031151w1＝1,w2＝100,w3＝12081151w1＝1,w2＝1,w3＝1002071151w1＝350,w2＝1,w3＝352001150然后，将射孔定位反演出的各向异性速度模型作为初始模型，采用射孔定位分析出的加权系数关系，设置一个具体新型加权定位公式(如w1＝350,w2＝1,w3＝35)，以微地震事件纵横波真实走时为观测对象，直接对微地震事件进行定位处理，寻找震源最佳空间位置，使得对应的纵横波走时最接近真实值，将此时的震源最佳位置作为下一步初始定位结果。如图3所示，直接用射孔定位分析出的各向异性模型对其他微地震事件进行定位结果，存在一定的误差，如图4所示，其中每组数据中左边dlx表示径向误差，右边dzx表示深度误差。这说明，不同位置各向异性差异性会引起定位误差。最后，为了进一步提高定位精度，在上一步获得的初步定位结果基础上，利用相同的加权系数新型定位公式，采用层析思路，即以初始结果为中心，给定数值范围，同时反演微地震事件空间位置与各向异性，直至纵横波走时无限接近观测真实值，从而最终实现微地震事件精确定位，如图5所示。图6的定位结果误差统计表明，利用本发明的加权定位方法，径向、深度定位误差进一步减少，验证了通过本发明的方法可以使各向异性介质微地震定位处理获得更高精度结果。本领域技术人员应理解，上面对本发明的实施例的描述的目的仅为了示例性地说明本发明的实施例的有益效果，并不意在将本发明的实施例限制于所给出的任何示例。以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本
技术领域：
的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本
技术领域：
的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。当前第1页12