利用DAS和检波器混合阵列监测微震的方法和系统与流程

本发明涉及微震监测，特别涉及一种利用分布式声波传感器和检波器混合阵列微震监测系统和方法。

背景技术：

1、分布式声波传感(das,distributed acoustic sensing)的工作原理：das是一种传感技术，它通过收集和分析地面或井下产生的声音，这些声波会被光纤捕捉到。利用相干光时域反射测量的原理，将相干短脉冲激光注入到光纤中，当有外界振动作用于光纤上时，由于弹光效应，会微小地改变纤芯内部结构，从而导致背向瑞利散射信号的变化，使得接收到的反射光强发生变化，通过检测井下事件前后的瑞利散射光信号的强度变化。

2、传统的微震监测分为地面监测和井下监测。在井下监测中，高灵敏度传感器部署在靠近震源的钻孔中，以便在靠近阵列的地方记录更多微震事件，以最大限度地减少信号衰减和背景噪声。这可以检测小震级微震活动，其信噪比足以从稀疏检波器阵列确定源位置。最终检测范围仅限于监测位置周围的区域。

3、利用传统检波器的监测数据，记录传感器和微震位置之间的方向为由直接p波和/或s波到达的粒子运动确定。

4、但是利用传统检波器具有以下缺点：

5、1、布设检波器数目少时，使用井中单一垂直检波器排列，定位误差大，垂直方向定位误差十几米，水平方位误差几十米，使用地面二维检波器排列，垂向方位定位误差大于40米，水平方位误差在10米左右。

6、2、布设检波器数量多，定位误差会降低，但布设检波器的成本会上升。

7、使用波形叠加法，对每个波形进行叠加，不依赖于p波或s波的初至。

8、该方法使用波形进行叠加。在数据处理环节，使用p波进行计算，在计算时叠加波形的振幅值。但是振幅值有正有负，如果简单叠加会出现抵消的情况，该方法在计算之前选择使用走时校正振幅的极性，提高计算结果的准确性。

9、但是，波形叠加法使用传统三分量检波器，布设成本较高。

10、使用普通波形叠加法进行波形的叠加，单个事件记录的幅度在不同检波器上具有不同的极性和振幅，如果不进行极性的校正，直接叠加会出现正振幅和负振幅的互相抵消，进行的改进方法是使用极性校正后的振幅进行叠加，但是会引入噪声，局部奇异值的振幅会影响波形的信噪比。具体来讲，只有少数甚至一个高振幅噪声迹线可能会导致高叠加振幅，表明出现虚假检测，即所谓的“误报”。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术的缺陷，提供了一种利用das和检波器混合阵列监测微震的方法和系统。

2、为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案如下：

3、一种利用das和检波器混合阵列监测微震的系统，包括：分布式声波传感器和检波器；

4、混合阵列布设方式如下：

5、分布式声波传感器的光纤水平布设在地表上，光纤标距为3m，三分量检波器沿光纤等间隔布设在水平地表；

6、作为优选，混合阵列布设方式如下：

7、分布式声波传感器的光纤垂直布设，沿垂直井方向，在光纤尾端布设3-5个三分量检波器，在井下的光纤，标距为3m。

8、本发明还公开了一种利用das和检波器混合阵列监测微震的方法，包括以下步骤：

9、步骤一，通过三分量检波器中的两个水平分量x和y进行震源方位角的计算。使用互相关算子计算x分量和震源之间的夹角θ，并将其转换为相对于北向的方位角φr。

10、通过检查第一个初至点的极性，消除可能存在的两个潜在的检波器趋势，以消除歧义。

11、在存在任意偏差的观测井中，通过考虑与偏差相切的线l来解决问题，这需要使用球坐标参数井的倾角θw和井的水平方向φw，以及检波器的坐标xr,yr,zr。

12、利用参数l的方向定义一个垂直于井的平面，并在该平面上引入伪x、y和z轴，建立一个相对于井在某一点的坐标系。

13、为了进行地震检波器方向的分析，必须将震源坐标投影到定义的平面上，通过计算源坐标和伪x和y轴的内积来实现，并定义了一个伪源-检波器方位角φs'。最后，将φs'加到θ上将得到检波器方向方位角，相对于伪y轴。

14、步骤二，使用分布式声波传感器监测数据，在垂直剖面上进行相似系数s(k)的计算，并建立震源扫描网格。震源扫描网格的基本思想是将空间划分成规则的网格，根据检测到的到时进行波形校正，并通过相似系数s(k)来确定震源位置。

15、根据三分量检波器计算的方位信息，得到最终的震源坐标。

16、进一步地，震源方位角的计算如下式：

17、

18、是零滞后的互相关算子，使用互相关算子计算x分量和震源之间的夹角θ如

19、式2：

20、

21、进一步地，所述转换为相对于北向的方位角φr，公式如下：

22、φr＝φs+θ (3)

23、φs是垂直井时的震源方位角。对于垂直井，通过将θ添加到源-检波器方位角φs相对于正北的角度来实现，并且假设检波器的水平分量在x-y平面。因此，在解震源-检波器方位角时，需使用震源位置的x和y坐标，如下所示：

24、

25、进一步地，所述偏差相切的线l，利用球坐标，用参数化的方式表达为：

26、

27、式中，θw为井相对于垂直方向的倾斜角度。

28、φw为井相对于正x轴的水平方向的角度。

29、xr,yr,zr为检波器在三维空间中的坐标，分别表示x、y和z坐标。

30、进一步地，建立一个相对于井在某一点的坐标系，具体如下：

31、

32、进一步地，所述计算相似系数s(k)的公式如下：

33、

34、式中,fij是第i道第j个采样点，m是参与计算的地震道数目，n为时窗大小，k为时窗中心位置。

35、进一步地，所述震源扫描网格的基本思想是把空间划分成规则的网格，在震源扫描网格中，以每个划分的网格为基本单元，在基本单元网格中，根据检波器拾取的到时，以最早到的初至时间为标准，进行波形校正，把时差对每个波形进行整体偏移，调整时差之后，使用公式7的相似函数计算，在不同震源扫描网格中进行滑动网格计算，其相似函数取最大值时，网格中的位置是震源位置。通过比较计算出的s(k)值，可以判断震源位置。

36、进一步地，计算得到最终的震源坐标，公式如下：

37、

38、式中，(x1,y1,z1)为某一特定垂直剖面中，震源位置坐标，(x2,y2,z2)是根据三分量检波器计算出的方位信息，计算得到的最终的震源坐标。

39、进一步地，在步骤二之后，计算出震源定位的均方根误差δtrms和速度加权的均方根误差erms，评估定位结果震源位置的准确性和可靠性，具体计算公式如下：

40、震源定位测量的走时与理论走时之间的误差，计算方法如公式8；

41、定位误差是已知地层速度模型的情况下进行计算，计算方法如公式9，

42、

43、式中，np为p波在分布式声波传感器阵列中到达的数量，ns是s波在分布式声波传感器阵列中到达的数量。是各道p波的监测实际走时与理论走时的误差，是各道s波的监测实际走时与理论走时的误差。

44、

45、式中，vp是地层中p波速度，vs是地层中s波速度。

46、与现有技术相比，本发明的优点在于：

47、1.高定位精度：通过使用三分量检波器计算震源方位角，并结合分布式声波传感器监测数据，在垂直剖面上计算相似系数来确定震源位置，可以实现高精度的微震监测和定位。

48、2.准确性和可靠性：通过计算均方根误差来评估监测结果的准确性和可靠性，从而提高监测数据的可信度和实用性。

49、3.实时监测：该方法可以实时监测并定位微震活动，有助于实时掌握掌握地下微震活动情况，分析压裂裂缝扩展情况，提供了重要的实时监测和预警手段。

50、4.综合利用多种数据：该方法结合了三分量检波器和分布式声波传感器监测数据，综合利用多种数据，提高了监测的全面性和有效性。

51、5.成本低：布设方式简单，易于实现，且应用环境广泛，没有限制。