基于到时曲线拟合的微地震震相识别及初至拾取方法与流程

1.本发明涉及油田开发技术领域，特别是涉及到一种基于到时曲线拟合的微地震震相识别及初至拾取方法。


背景技术：

2.非常规油气藏储层的渗透率极低，在开采过程中需要采用水平井和分段压裂进行储层改造。微地震监测技术可以实时监测水力压裂过程，利用监测数据定位诱发微地震事件，根据破裂事件点的分布特征描述压裂裂缝发育的几何形态和空间分布，对评价压裂改造效果并优化后期压裂设计和井位布局有重要意义。微地震监测数据处理过程中，微地震事件识别及初至拾取是微地震震源定位的基础，而且初至拾取精度直接影响的事件定位、震源机制分析以及裂缝成像效果。
3.微地震事件识别以有效信号和环境噪声的差异识别为基础，常用于信号识别的属性特征包括能量、偏振、频谱、统计和波形相似等方面。基于能量属性的长短时窗能量比(sta/lta)方法原理简单，容易实现，并且能够满足实时处理的要求，是微地震监测数据处理常用的方法，但该方法的缺点是基于单道能量特征在低信噪比事件的识别往往无法取得令人满意的效果。基于波形相似特征的微地震事件识别方法包括利用事件内道间波形相似的方法以及模板匹配识别的方法，能够提高低信噪比事件信号的识别能力，是目前微地震事件识别的重要手段。模板匹配的微地震事件识别方法依赖波形模板的选取，而基于事件内道间波形相似的方法相比之下更具普适性的特点，但其存在计算效率低和规则干扰误拾率高的问题。
4.微地震初至拾取方法可以分为基于单道记录的方法和基于多道记录的方法。基于单道记录的初至拾取方法可以通过计算和分析信号的时频分布、瞬时属性、能量属性、偏振属性等来实现，应用在低信噪比实际数据时所得初至结果往往会出现个别道的误差较大。基于多道记录的互相关方法充分利用了道间记录的相似特征，能够提高初至拾取结果的质量。然而，当微地震记录信噪比低或者存在多震相信号时，互相关函数的峰值不明显或者连续出现多个大小近于相似的峰值，此时最大值对应的时间并不能可靠地代表真正的目标震相位置，校正后的初至结果并不理想。
5.在申请号：cn201910912330.0的中国专利申请中，涉及到一种微地震震相识别初至拾取方法、设备和存储介质，该方法沿着拟合曲线计算能量加权相似系数进行信号识别，能够快速有效识别出微地震信号，已知的震相初至趋势的基础上，计算目标震相的剩余时差校正量，设定约束时窗可以有效避免低信噪比的道记录初至拾取出现较大的误差情况，提高初至拾取的效率和准确度。在实际地层速度模型比较复杂情况下，采用简单的线性拟合方法可能无法达到理想的结果，此外受速度模型、传播路径和震源机制的影响，道间的波形存在着差异时，方法的应用效果可能会受到影响。
6.针对常规微地震震相识别以及初至拾取方法存在的问题，我们结合微地震记录的到时曲线规律和道间相似特征发明了一种新的微地震震相识别及初至拾取的方法，解决了
以上技术问题。


技术实现要素：

7.本发明的目的是提供一种能够从实际资料中识别微地震事件并实现震相初至拾取，利用所识别事件的初至信息定位震源得到裂缝参数，有助于人们更加详细地了解压裂裂缝的发育过程的基于到时曲线拟合的微地震震相识别及初至拾取方法。
8.本发明的目的可通过如下技术措施来实现：基于到时曲线拟合的微地震震相识别及初至拾取方法，该基于到时曲线拟合的微地震震相识别及初至拾取方法包括：步骤1，利用射孔记录的震相到时建立到时曲线拟合公式；步骤2，沿着拟合曲线选取滑动窗口计算相似系数及叠加道能量，以能量加权相似系数值作为微地震信号存在与否的依据；步骤3，判断各道剩余时差校正量是否小于给定时窗大小；步骤4，叠加满足条件的剩余时差校正后的波形记录，在叠加道初至到时的基础上得到各道的准确初至到时。
9.本发明的目的还可通过如下技术措施来实现：
10.在步骤1中，根据射孔记录初至的走时规律通过一次曲线拟合的方法建立到时曲线的拟合公式为：
11.t＝t0+k
×
dt
×
m.
12.其中t0为相对记录时刻，m为检波器号，k为拟合走时曲线参数，dt为采样时间间隔，k
×
dt可以视为道间时差。
13.在步骤2中，定义能量加权相似系数i计算公式为
14.i＝eq·
s.
15.其中指数q取值为0～1，s为总多道相似系数为
[0016][0017]
各分量多道相似系数的计算公式为：
[0018][0019]sx
,sy,sz分别为三个分量记录的多道相似系数
[0020]
，e为沿着拟合曲线所得叠加道的能量，计算公式表示为
[0021][0022]
式中m为道数，p为拟合参数，分别为各道时窗的起点与终点，为时窗长度，a
x
,ay,az分别为时窗内地震波三个分量的振幅，tm为拟合曲线初至时刻，n为采样时刻；
[0023]
预先给定一个能量加权相似系数的阈值，如果所得能量加权相似系数大于该阈值，则认为在微地震记录的相应时刻处附近存在一个有效的微地震信号且拟合曲线反映的是真实初至曲线趋势。
[0024]
在步骤3中，基于最优拟合曲线所得叠加道计算时差校正后各道记录的剩余时差，设定约束时窗，判断各道剩余时差校正量是否小于给定时窗大小。
[0025]
在步骤3中，在到时曲线的先验信息基础上以一定时窗约束初至拾取以避免低信噪比道初至的误拾，步骤包括：基于最优拟合曲线得到时差校正记录及叠加道；计算叠加道与时差校正后各道记录的剩余时差；设定约束时窗，判断各道剩余时差校正量是否小于给定时窗大小。
[0026]
在步骤4中，不满足约束条件的各道记录到时通过插值得到。
[0027]
在步骤4中，叠加满足条件的剩余时差校正后的波形记录即i＝m，通过长短能量比方法得到叠加道的相对初至到时t0，在叠加道初至到时的基础上得到各道的准确初至到时：
[0028]
t(m)＝t(m)+δt(m)+t0[0029]
＝t+k
max
·
dt
·
m+δt(m)+t0.
[0030]
式中t为识别出微地震震相时刻，k
max
为拟合参数，δt为各道时差校正量，t0为相对初至到时。
[0031]
本发明中的基于到时曲线拟合的微地震震相识别及初至拾取方法，沿着拟合曲线计算能量加权相似系数进行信号识别，能够快速有效识别出微地震信号(p波s波震相)，已知的震相初至趋势的基础上，计算目标震相的剩余时差校正量，设定约束时窗可以有效避免低信噪比的道记录初至拾取出现较大的误差情况，提高初至拾取的效率和准确度，这对于改进压裂施工效率，提高油气藏改造的成功率具有重要的意义。
附图说明
[0032]
图1为本发明的基于到时曲线拟合的微地震震相识别及初至拾取方法的一具体实施例的流程图；
[0033]
图2为本发明的一具体实例中射孔记录及其震相到时拟合示意图；
[0034]
图3为本发明的一具体实例中基于到时曲线拟合的微地震信号识别示意图；
[0035]
图4为本发明的一具体实例中基于到时曲线趋势的先验信息的初至优化示意图；
[0036]
图5为本发明的一具体实例中本发明方法所得初至结果与sta/lta所得结果对比图。
具体实施方式
[0037]
为使本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举出较佳实施例，并配合附图所示，作详细说明如下。
[0038]
本发明的基于到时曲线拟合的微地震震相识别及初至拾取方法，包括了以下步骤：
[0039]
步骤1，利用射孔记录的震相到时建立到时曲线拟合公式；
[0040]
根据射孔记录初至的走时规律通过一次曲线拟合的方法建立到时曲线的拟合公式为：
[0041]
t＝t0+k
×
dt
×
m.
[0042]
其中t0为相对记录时刻，m为检波器号，k为拟合走时曲线参数，dt为采样时间间
隔，k
×
dt可以视为道间时差。
[0043]
步骤2，沿着拟合曲线选取滑动窗口计算相似系数及叠加道能量，以能量加权相似系数值作为微地震信号存在与否的依据；
[0044]
定义能量加权相似系数i计算公式为
[0045]
i＝eq·
s.
[0046]
其中指数q取值为0～1，s为总多道相似系数为
[0047][0048]
各分量多道相似系数的计算公式为：
[0049][0050]sx
,sy,sz分别为三个分量记录的多道相似系数
[0051]
，e为沿着拟合曲线所得叠加道的能量，计算公式表示为
[0052][0053]
式中m为道数，p为拟合参数，分别为各道时窗的起点与终点，为时窗长度，a
x
,ay,az分别为时窗内地震波三个分量的振幅，tm为拟合曲线初至时刻，n为采样时刻；
[0054]
预先给定一个能量加权相似系数的阈值，如果所得能量加权相似系数大于该阈值，则认为在微地震记录的相应时刻处附近存在一个有效的微地震信号且拟合曲线反映的是真实初至曲线趋势。
[0055]
步骤3，判断各道剩余时差校正量是否小于给定时窗大小；
[0056]
基于最优拟合曲线所得叠加道计算时差校正后各道记录的剩余时差，设定约束时窗，判断各道剩余时差校正量是否小于给定时窗大小。
[0057]
在到时曲线的先验信息基础上以一定时窗约束初至拾取以避免低信噪比道初至的误拾，步骤包括：基于最优拟合曲线得到时差校正记录及叠加道；计算叠加道与时差校正后各道记录的剩余时差；设定约束时窗，判断各道剩余时差校正量是否小于给定时窗大小。
[0058]
步骤4，叠加满足条件的剩余时差校正后的波形记录，在叠加道初至到时的基础上得到各道的准确初至到时。不满足约束条件的各道记录到时通过插值得到。
[0059]
叠加满足条件的剩余时差校正后的波形记录即i＝m，通过长短能量比方法得到叠加道的相对初至到时t0，在叠加道初至到时的基础上得到各道的准确初至到时：
[0060]
t(m)＝t(m)+δt(m)+t0[0061]
＝t+k
max
·
dt
·
m+δt(m)+t0.
[0062]
式中t为识别出微地震震相时刻，k
max
为拟合参数，δt为各道时差校正量，t0为相对初至到时。
[0063]
在应用本发明的一具体实施例中，如图1所示，图1为本发明的基于到时曲线拟合
的微地震震相识别及初至拾取方法的流程图。
[0064]
在步骤110，利用射孔记录或者强能量事件信号的震相到时建立到时曲线拟合公式。
[0065]
对于均匀速度模型以及垂直排列的观测系统，检波器接收地震波的初至曲线可以表示为抛物线，当监测距离r远大于检波器间距δz且检波器组布设在压裂段一侧时，此时初至曲线可近似为一次曲线
[0066]
tm＝km+d.
[0067]
其中k,d为一次曲线拟合参数，d为相对时间。通过采用一次曲线拟合的方法得到曲线同样能够近似反映真实到时曲线趋势。
[0068]
井中微地震监测仪器空间位置相邻，检波器接收到微地震震相在记录上表现出相似的走时特征。射孔初至信息一定程度上能够表示该压裂段的微地震事件震相曲线趋势。如图2所示，图中为一实例射孔记录及初至拟合结果，该地区监测区域地层起伏变化相对较小，监测距离远大于检波器间距，记录中同相轴道间时差变化不大。根据射孔记录初至的走时规律可以通过一次曲线拟合的方法得到近似的初至曲线。拟合公式为
[0069]
t＝t0+k
×
dt
×
m.
[0070]
其中t0为相对记录时刻，m为检波器号，k为拟合走时曲线参数，dt为采样时间间隔，k
×
dt可以视为道间时差。圆圈和三角形分别为p波s波初至信息，实线和虚线为对应的线性拟合结果。
[0071]
在步骤120，沿着拟合曲线选取滑动窗口计算相似系数及叠加道能量的步骤可包括如下：选用一个滑动时窗的长度；利用拟合曲线沿着时间轴在连续的地震记录上逐个采样点进行移动，同时通过拟合参数不断地修改曲线。
[0072]
利用拟合曲线沿着时间轴在连续的地震记录上逐个采样点进行移动，同时通过拟合参数不断地修改曲线。在移动过程中计算出以不同走时曲线为起点的一定时窗范围内的多道相似系数，多道相似系数的计算公式为：
[0073][0074]
式中m为道数，p为拟合参数，分别为各道时窗的起点与终点，为时窗长度，a
x
,ay,az分别为时窗内地震波三个分量的振幅，s
x
,sy,sz分别为三个分量记录的多道相似系数。此时定义总多道相似系数为
[0075][0076]
当拟合曲线接近真实初至时，有效微地震信号沿着拟合曲线所得叠加道波形能量增强，随机噪声能量压制，所得叠加道可以表示为
[0077][0078]
其中tm为拟合曲线初至时刻。多道相似系数未考虑到信号的能量特征，所以对于
某些能量弱的相关环境噪声也较为敏感。为了避免这些非微地震信号的误拾取，定义能量加权相似系数i计算公式为
[0079]
i＝eq·
s.
[0080]
其中指数q取值为0～1，e为沿着拟合曲线所得叠加道的能量，计算公式可以表示为
[0081][0082]
预先给定一个能量加权相似系数的阈值，如果所得能量加权相似系数大于该阈值，则可认为在微地震记录的相应时刻处附近存在一个有效的微地震信号且拟合曲线反映的是真实初至曲线趋势。如图3所示，从图3中可以看出当时窗内存在有效信号，由于有效信号具有一定的道间相似性，则该时窗内的多道相似系数较大，且有效微地震信号沿着拟合曲线所得叠加道波形能量增强，随机噪声能量压制。从图3中能量加权相似系数剖面中可以清楚看出存在着1个局部极大值区域，可识别出微地震震相时刻t及拟合参数对应的位置k
max
.
[0083]
在步骤130，由于识别所得震相的时刻和同相轴趋势曲线只能大概的反映出地震波的初至位置，因此仍需要对震相初至进行进一步优化。在到时曲线的先验信息基础上以一定时窗约束初至拾取可以避免低信噪比道初至的误拾。步骤包括：基于最优拟合曲线得到时差校正记录及叠加道；计算叠加道与时差校正后各道记录的剩余时差；设定约束时窗，判断各道剩余时差校正量是否小于给定时窗大小。将微地震信号识别时刻以及对应的拟合参数带入公式可以计算得到微地震同相轴的到时趋势曲线，为了得到更为准确的初至信息，需要利用叠加道求取各道初至到时的剩余时差校正量，如图4所示。初步时差校正后的记录如图4a，图4a中所示为p波震相z分量记录的时差校正记录，然后利用叠加道计算各道相对剩余时差得到时差校正后记录和最终叠加道波形。设定约束时窗δt，判断各道时差校正量|δt(m)|是否小于δt。如果是，则保留该道i＝m；否则j＝m。
[0084]
在步骤140，叠加满足条件的剩余时差校正后的波形记录(即i＝m)，通过长短能量比方法可以得到叠加道的相对初至到时t0，在叠加道初至到时的基础上得到各道的准确初至到时
[0085]
t(m)＝t(m)+δt(m)+t0[0086]
＝t+k
max
·
dt
·
m+δt(m)+t0.
[0087]
不满足约束条件的各道记录到时通过插值得到。
[0088]
为了与这一方法的应用效果进行对比，同时也采用了sta/lta方法对该实际数据进行了初至拾取处理。图5a为采用本发明方法所得初至结果，以初至结果时差校正后的记录如图5c所示，图5b为采用sta/lta方法所得初至结果，以初至结果时差校正后的记录如图5d所示。时差校正后的记录中波形对齐可以说明初至拾取的效果，通过对比两种方法得到的初至结果可以看出，利用能量比法求出的初至时间在低信噪比道存在一定的误差，本发明提出的方法利用了到时曲线规律的先验信息利用互相关求取剩余时差能够有效地避免低信噪比情况下初至误差的出现，且可在较为合理的时窗内得到更为准确的初至到时。