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一种井中微 地震P、S波联合快速定位方法及系统

阅读：424发布：2023-12-31

专利汇可以提供一种井中微地震P、S波联合快速定位方法及系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及一种井中微地震 P、S波联合快速定位方法及系统，所述方法包括：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；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。，下面是一种井中微地震P、S波联合快速定位方法及系统专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种井中微地震P、S波联合快速定位方法，其特征在于，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。
2.根据权利要求1所述一种井中微地震P、S波联合快速定位方法，其特征在于，所述步骤a的具体实现为：
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。
3.根据权利要求2所述一种井中微地震P、S波联合快速定位方法，其特征在于，步骤b的具体实现为：
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LP1＝fP1(H)、LP2＝fP2(H)与一个S波函数LS2＝fS2(H)。
4.根据权利要求3所述一种井中微地震P、S波联合快速定位方法，其特征在于，所述步骤c的具体实现为：
设置与震源位置有关的目标函数OPJ＝‖fP1(H)-fP2(H)‖+‖fP1(H)-fS2(H)‖，当OPJ→0时，快速计算出最优解深度H0与相应水平距离L0＝(fP1(H0)+fP2(H0)+fS2(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。
5.根据权利要求2所述一种井中微地震P、S波联合快速定位方法，其特征在于，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(xi,yi)作偏振分析；
定义瞬时能量Ei和瞬时方位φi：
tgφi＝yi/xi (2)
首先，根据上式，计算出每个样点瞬时方位φi与瞬时能量Ei，同时作出瞬时能量Ei对瞬时方位φi的直方图；然后，画出(xi,yi)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Ei、φi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：
Ri＝xicos(φ)+yisin(φ) (3)
Ti＝-xi sin(φ)+yi cos(φ)
其中，Ri、Ti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(Zi,Ri)作偏振分析，画出(Zi,Ri)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。
6.根据权利要求3所述一种井中微地震P、S波联合快速定位方法，其特征在于，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,......,VpN-1,VpN]、[Vs1,Vs2,......,VsN-1,VsN]，且深度H亦分为相应N层[H1,H2,......,HN-1,HN]；
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：
其中，LP1、LP2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，LS2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。
7.根据权利要求4所述一种井中微地震P、S波联合快速定位方法，其特征在于，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＝(fP
1(H0)+fP2(H0)+fS2(H0))/3，实现P、S波联合定位，目标函数如下：
OPJ(H)＝(LP1-LP2)+(LP1-LS2) (7)
＝(fP1(H)-fP2(H))+(fP1(H)-fS2(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。
8.根据权利要求7所述一种井中微地震P、S波联合快速定位方法，其特征在于，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＝ (H 1+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＝(fP1(H0)+fP2(H0)+fS2(H0))/3，实现P、S波联合快速定位。
9.一种井中微地震P、S波联合快速定位系统，其特征在于，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。

说明书全文

一种井中微地震P、S波联合快速定位方法及系统

技术领域

[0001] 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

[0002] 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。

[0003] 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：

[0004] 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；

[0005] 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。

发明内容

[0006] 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。

[0007] 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：

[0008] 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；

[0009] 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；

[0010] 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。

[0011] 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。

[0012] 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；

[0013] 所述数据采集模块，其用于获取同一事件微地震数据；

[0014] 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；

[0015] 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；

[0016] 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

[0017] 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；

[0018] 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；

[0019] 图2是井中微地震垂直观测示意图：多个震源、两个检波器▲；

[0020] 图3-1是井中微地震模型三分量数据中的X分量；

[0021] 图3-2是井中微地震模型三分量数据中的Y分量；

[0022] 图3-3是井中微地震模型三分量数据中的Z分量；

[0023] 图4-1是井中微地震模型数据矢量分解中的P分量；

[0024] 图4-2是井中微地震模型数据矢量分解中的S分量；

[0025] 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；

[0026] 图6是纵横波速度模型列表；

[0027] 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；

[0028] 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)；

[0029] 图9-1是对井中微地震模型Z分量数据增加随机噪音；

[0030] 图9-2是对井中微地震模型X分量数据增加随机噪音；

[0031] 图9-3是对井中微地震模型Y分量数据增加随机噪音；

[0032] 图10-1是含噪音模型矢量分解中的P分量；

[0033] 图10-2是含噪音模型矢量分解中的S分量；

[0034] 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；

[0035] 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；

[0036] 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

[0037] 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。

[0038] 下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

[0039] 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。

[0040] 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。

[0041] 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。

[0042] 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：

[0043] 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；

[0044] 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；

[0045] 其中，所述矢量分解采用矢端曲线-直方图法实现，具体如下：

[0046] 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(xi,yi)作偏振分析；定义瞬时能量Ei和瞬时方位φi：

[0047]

[0048] tgφi＝yi/xi (2)

[0049] 首先，根据上式，计算出每个样点瞬时方位φi与瞬时能量Ei，同时作出瞬时能量Ei对瞬时方位φi的直方图；然后，画出(xi,yi)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Ei、φi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；

[0050] 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：

[0051] Ri＝xi cos(φ)+yi sin(φ)

[0052] (3)

[0053] Ti＝-xi sin(φ)+yi cos(φ)

[0054] 其中，Ri、Ti分别为旋转后水平径向、切向分量瞬时振幅；

[0055] 同样，对检波器Z分量、水平径向R分量振幅值(Zi,Ri)作偏振分析，画出(Zi,Ri)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；

[0056] 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。

[0057] 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LP1＝fP1(H)、LP2＝fP2(H)与一个S波函数LS2＝fS2(H)；

[0058] 具体地，建立函数关系的具体实现如下：

[0059] 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,......,VpN-1,VpN]、[Vs1,Vs2,......,VsN-1,VsN]，且深度H亦分为相应N层[H1,H2,......,HN-1,HN]；

[0060] 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：

[0061]

[0062]

[0063]

[0064] 其中，LP1、LP2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，LS2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。

[0065] 第三步：设置与震源位置有关的目标函数OPJ＝||fP1(H)-fP2(H)||+||fP1(H)-fS2(H)||，当OPJ→0时，快速计算出最优解深度H0与相应水平距离L0＝(fP1(H0)+fP2(H0)+fS2(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。

[0066] 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：

[0067] 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＝(fP1(H0)+fP2(H0)+fS2(H0))/3，实现P、S波联合定位，目标函数如下：

[0068] OPJ(H)＝(LP1-LP2)+(LP1-LS2)

[0069] (7)

[0070] ＝(fP1(H)-fP2(H))+(fP1(H)-fS2(H))

[0071] 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。

[0072] 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：

[0073] 快速找出两个深度H1、H2，使得OPJ(H1)·OPJ(H2)≤0；

[0074] 选取中间值 H3＝ (H 1+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；

[0075] 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＝(fP1(H0)+fP2(H0)+fS2(H0))/3，实现P、S波联合快速定位。

[0076] 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；

[0077] 所述数据采集模块，其用于获取同一事件微地震数据；

[0078] 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；

[0079] 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；

[0080] 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。

[0081] 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。

[0082] 如图2所示，由两个三分量检波器和一组“X”型震源点组成。

[0083] 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。

[0084] 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。

[0085] 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。

[0086] 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。

[0087] 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。

[0088] 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。

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