本發(fā)明涉及一種微地震信號(hào)自動(dòng)拾取方法，尤其是水力壓裂微地震勘探中基于FAST-AIC法的微地震信號(hào)初至自動(dòng)拾取方法。

背景技術(shù)：
：

微地震震源定位技術(shù)是水力壓裂技術(shù)的核心，精確獲取微地震信號(hào)初至是提高微地震震源定位精度的關(guān)鍵。通常情況下，地面觀測(cè)的微地震資料數(shù)據(jù)量大、信噪比低、甚至完全淹沒在噪聲之中，這在很大程度上制約了微地震信號(hào)的初至拾取精度。準(zhǔn)確地識(shí)別微震事件為高精度初至拾取提供了基礎(chǔ)，但由于水力壓裂震源發(fā)生時(shí)刻、震源數(shù)量的不確定性，致使準(zhǔn)確地識(shí)別微地震事件也十分困難。

CN104459789A公開了《一種地震波初至拾取的方法》，根據(jù)地震剖面選取直達(dá)波，作為參考地震子波；參考地震子波與地震數(shù)據(jù)進(jìn)行互信息量的計(jì)算；在整個(gè)時(shí)間軸上搜索互信息量極大值，此極大值所對(duì)應(yīng)的時(shí)間即為所求的此道地震波初至。其方法包括根據(jù)地震剖面選取直達(dá)波，作為參考地震子波；地震子波與地震數(shù)據(jù)進(jìn)行互信息量的計(jì)算；搜索得到互信息量的極大值，此極大值所對(duì)應(yīng)的時(shí)間即為所求的地震波初至。本發(fā)明的地震波初至拾取的方法所得結(jié)果精度高，在低信噪比地區(qū)也能取得很好的結(jié)果

CN103837891A公開了《一種微地震初至的高精度拾取方法》，利用高階矩方法增強(qiáng)微地震資料的信噪比，根據(jù)當(dāng)前微地震波是否存在滿足振幅大小、空間相關(guān)性、同相軸視視速度大小和偏振特征等約束條件來判斷該微地震波是否為微地震波初至；根據(jù)射孔資料實(shí)際事件資料的變化規(guī)律，采用統(tǒng)計(jì)分析方法，確定約束條件的門檻值；在振幅和視速度約束下，圍繞微地震事件走時(shí)初至的時(shí)空變化特征，利用固定大時(shí)窗和滑動(dòng)小時(shí)窗內(nèi)走時(shí)初至點(diǎn)能量、視速度、相關(guān)信息的變化規(guī)律，采用多次迭代的方法，進(jìn)行微地震時(shí)間初至的自動(dòng)拾取。

2011年宋維琪，呂世超在《基于小波分析與Akaike信息準(zhǔn)則的微地震初至拾取方法》中根據(jù)微地震信號(hào)與噪聲在小波多尺度分解后相鄰尺度上連續(xù)性不同的特性，提出了識(shí)別微地震有效事件的小波-AIC方法。2013年魏路路在《水力壓裂微地震事件自動(dòng)識(shí)別與拾取》中聯(lián)合AIC法和相關(guān)法用于水力壓裂射孔信號(hào)初至波自動(dòng)拾取，2013年張喚蘭在《微地震數(shù)值模擬及震源定位方法研究》中提出基于時(shí)窗能量比和AIC算法的兩步法拾取微震初至到時(shí)。

上述現(xiàn)有技術(shù)雖在微地震信號(hào)初至拾取中取得一定有益效果，但拾取過程復(fù)雜，計(jì)算效率較低，同時(shí)對(duì)于微地震事件識(shí)別都是基于單道信號(hào)處理之上的，忽略了各道之間的相關(guān)性，容易造成識(shí)別中誤檢或漏檢的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
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本發(fā)明的目的就在于針對(duì)以上微地震事件識(shí)別與初至拾取方法中存在的問題,首先根據(jù)水力壓裂射孔信號(hào)與微地震信號(hào)傳播路徑相似，走時(shí)信息相近，提出了一種微地震事件識(shí)別新方法；其次，利用水力壓裂檢波器布陣方式及單道信號(hào)局部極值在微地震觸發(fā)時(shí)刻附近設(shè)計(jì)精確時(shí)窗；本發(fā)明對(duì)傳統(tǒng)AIC算法進(jìn)行優(yōu)化,將公式變換為求取離散實(shí)數(shù)序列的算術(shù)和、平方和的線性組合形式,減少重復(fù)計(jì)算,極大地提高計(jì)算效率。最終形成一套系統(tǒng)的基于FAST-AIC法的微地震信號(hào)初至拾取方法。

本發(fā)明是一種基于FAST-AIC法的微地震信號(hào)初至自動(dòng)拾取方法，包括以下步驟：

(1)輸入微地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及射孔信號(hào)；

(2)人工拾取每條測(cè)線上檢波器記錄的射孔信號(hào)初至?xí)r刻，設(shè)置每條測(cè)線靠近射孔點(diǎn)的檢波器記錄信號(hào)為參考道，計(jì)算射孔信號(hào)初至?xí)r差文件Δt_i，即使每條測(cè)線上檢波器記錄的射孔信號(hào)初至?xí)r刻與該條側(cè)線上參考道的初至?xí)r刻的差值；

(3)利用射孔信號(hào)初至?xí)r差文件Δt_i校正微地震數(shù)據(jù)；

(4)將校正后的多道微地震數(shù)據(jù)疊加獲得一個(gè)模型道M(i)；

(5)對(duì)模型道M(i)做希爾伯特(Hilbert)變換求取能量瞬時(shí)包絡(luò)E(i)；

其中為模型道M(i)的Hilbert變換

(6)采用STA/LTA法基于模型道能量包絡(luò)E(i)識(shí)別微地震事件，當(dāng)

STA/LTA比值超過閾值Thr時(shí)，認(rèn)為檢測(cè)到微地震事件，并且此時(shí)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻T_i記為微地震觸發(fā)時(shí)刻，STA/LTA法定義如下：

其中，E_i代表微地震信號(hào)，m表示短時(shí)窗長(zhǎng)度，n表示長(zhǎng)時(shí)窗長(zhǎng)度,N表示模型道長(zhǎng)度,Thr為根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)的經(jīng)驗(yàn)值。

(7)采用檢波器布陣方式在觸發(fā)時(shí)刻T_i處設(shè)計(jì)初步時(shí)窗。

首先，分析震源S相對(duì)測(cè)線L1最近及最遠(yuǎn)距離位置(震源S到檢波器A₁與An走時(shí)差的最大值與最小值)，即當(dāng)公式(3)Δe取最大值和最小值時(shí)分別對(duì)應(yīng)的震源坐標(biāo)。

其中

其中(x₁,y₁，z₁)為檢波器A₁坐標(biāo),(x_n,y_n,z_n)為A_n坐標(biāo),S為震源分布球體中一點(diǎn)，坐標(biāo)為(x,y,z),分別代表震源點(diǎn)S到檢波器A_n、A₁的距離。

由于震源點(diǎn)S在以射孔點(diǎn)(0,0,h)為圓心，半徑為R的球形內(nèi)，可知震源點(diǎn)S滿足以下約束條件：

0≤x²+y²+(z-h)²≤R² (6)

根據(jù)約束條件公式(6)，聯(lián)合公式(3)-(5)可求得Δe取最大值對(duì)應(yīng)震源S₂坐標(biāo)和最小值時(shí)分別對(duì)應(yīng)的震源S₁坐標(biāo)。

其次，根據(jù)兩個(gè)極限震源坐標(biāo)定義初步時(shí)窗為[T_i-Δ_i1,T_i+Δ_i2]。

分別代表他們兩點(diǎn)間的距離，v代表地層速度。

(8)根據(jù)初步時(shí)窗內(nèi)各道信號(hào)最大值確定精確時(shí)窗。

精確時(shí)窗獲取包括以下步驟：

a、尋找時(shí)窗[T_i-Δ_i1,T_i+Δ_i2]內(nèi)各道信號(hào)最大值Max_i；

b、更改時(shí)窗下限為各道信號(hào)幅值最大值對(duì)應(yīng)時(shí)刻之后C1s處；

c、在各道時(shí)窗內(nèi)最大值對(duì)應(yīng)時(shí)刻向前C2s作為時(shí)窗起始點(diǎn)，即精確時(shí)窗范圍為[Max_i-C2,Max_i+C1],其中C1、C2為經(jīng)驗(yàn)值。

(9)利用離散Curvelet變化對(duì)時(shí)窗有效區(qū)域進(jìn)行多尺度分解，將不同頻率的信號(hào)剝離開；

(10)采用FAST-AIC法算法在精確時(shí)窗內(nèi)進(jìn)行準(zhǔn)確初至拾取。

為提高計(jì)算效率，在傳統(tǒng)AIC方法基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn),提出FAST-AIC法，將傳統(tǒng)AIC法如公式(9)所示：

AIC(k)＝k×lg(Var(x[1,k]))+(N-k-1)lg(Var(x[k+1,N])) (9)

將公式(1)變換為求取離散實(shí)數(shù)序列的算術(shù)和、平方和的線性組合形式得到公式(10)和公式(11)。

其中并且設(shè)當(dāng)?shù)卣饠?shù)據(jù)長(zhǎng)度N固定時(shí),sm即為定值因此:

設(shè)因此：

式中x_i為微地震數(shù)據(jù)，k的取值對(duì)應(yīng)x_i中采樣點(diǎn)，N為微地震記錄長(zhǎng)度。采用(13)式計(jì)算的優(yōu)點(diǎn)是,當(dāng)?shù)卣鸩ㄩL(zhǎng)度N固定時(shí)，sm、為定值，只需要計(jì)算一次，不隨時(shí)窗分界點(diǎn)k的移動(dòng)而改變。當(dāng)k移動(dòng)到新的位置時(shí)，只需計(jì)算新的sk1,sk2,并且在計(jì)算sk1，sk2的過程中不必重復(fù)計(jì)算時(shí)窗內(nèi)所有點(diǎn)的值,只須在上一個(gè)時(shí)窗值的基礎(chǔ)上,加上新進(jìn)入時(shí)窗采樣點(diǎn)的值或值的平方即可，大大減少計(jì)算量。

有益效果：本發(fā)明采用微地震事件識(shí)別和波至到時(shí)拾取兩步實(shí)現(xiàn)微地震信號(hào)初至自動(dòng)拾取，實(shí)現(xiàn)了多道微地震記錄準(zhǔn)確識(shí)別微地震事件，有效地解決了單道微地震事件識(shí)別中出現(xiàn)漏檢或誤檢的問題。同時(shí)，通過對(duì)局部數(shù)據(jù)濾波和快速算法提高了初至拾取精度和計(jì)算效率，且具有良好的抗噪性能。

附圖說明：

圖1監(jiān)測(cè)系統(tǒng)檢波器布陣方式示意圖。

圖2一種FAST-AIC法微地震信號(hào)初至到時(shí)自動(dòng)拾取方法流程圖。

圖3利用射孔信號(hào)校正微地震數(shù)據(jù)示意圖。

圖4極限震源S1、S2模擬數(shù)據(jù)校正圖。

圖5傳統(tǒng)AIC方法與改進(jìn)快速AIC方法計(jì)算效率對(duì)比圖。

圖6模擬數(shù)據(jù)DATA1道集示意圖。

圖7數(shù)據(jù)DATA1校正結(jié)果圖。

圖8微地震事件識(shí)別過程示意圖。

圖9精確時(shí)窗內(nèi)數(shù)據(jù)放大圖。

圖10精確時(shí)窗內(nèi)數(shù)據(jù)濾波后結(jié)果圖以及拾取結(jié)果圖。

圖11現(xiàn)有STA/LTA法識(shí)別微地震事件結(jié)果圖。

圖12 FAST-AIC法初至拾取結(jié)果圖。

圖13實(shí)際野外檢波器布陣圖。

圖14山西某地實(shí)際微地震信號(hào)記錄圖。

圖15根據(jù)射孔信號(hào)初至?xí)r差文件校正微地震數(shù)據(jù)結(jié)果圖。

圖16微地震事件識(shí)別過程示意圖。

圖17不同方法對(duì)實(shí)際為地震記錄初至到時(shí)拾取拾取結(jié)果圖。

圖18實(shí)際數(shù)據(jù)信噪比與初至拾取誤差關(guān)系散點(diǎn)圖。

具體實(shí)施方式：

為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好地理解本發(fā)明中的技術(shù)方案,本發(fā)明的檢波器布陣方式采用“米”字形，如圖1所示，且考慮到實(shí)際地層變化不一等因素，每條測(cè)線單獨(dú)拾取，一次拾取一條測(cè)線上多道微地震信號(hào)初至。

下面結(jié)合說明書附圖對(duì)本發(fā)明提出的一種FAST-AIC法微地震信號(hào)初至自動(dòng)拾取方法進(jìn)行詳細(xì)說明，如圖2所示，包括以下步驟：

(1)微地震數(shù)據(jù)及射孔信號(hào)輸入；

(2)利用已知高信噪比射孔信號(hào)的初至?xí)r差文件Δt_i(各道信號(hào)初至?xí)r刻與參考道初至?xí)r刻的差值)對(duì)整體微地震數(shù)據(jù)靜校正，使單條測(cè)線上各檢波器記錄的微地震信號(hào)初至到時(shí)基本一致。圖3為利用射孔信號(hào)校正微地震數(shù)據(jù)示意圖。圖4為極限震源S1、S2模擬數(shù)據(jù)校正圖。

(3)將校正后的單條側(cè)線上多道微地震數(shù)據(jù)疊加獲得一個(gè)高信噪比模型道M(i)；由于隨機(jī)噪聲沒有規(guī)律，疊加后隨機(jī)噪聲減弱，而有效信號(hào)加強(qiáng)，極大地增加了模型道M(i)信噪比。

(4)為進(jìn)一步克服水力壓裂微地震信號(hào)低信噪比的特點(diǎn)，保證微地震事件識(shí)別的準(zhǔn)確性，對(duì)模型道M(i)做希爾伯特變換以求取能量瞬時(shí)包絡(luò)E(i)，使其幅值突出更加明顯，有利于微地震事件識(shí)別。

其中為模型道M(i)的Hilbert變換。

(5)采用STA/LTA法基于模型道能量包絡(luò)E(i)識(shí)別微地震事件。當(dāng)STA/LTA比值超過閾值Thr時(shí)，認(rèn)為檢測(cè)到微地震事件，并且此時(shí)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻T_i為微地震觸發(fā)時(shí)刻。STA/LTA法定義如下：

其中，E_i代表微地震信號(hào)，m表示短時(shí)窗長(zhǎng)度，n表示長(zhǎng)時(shí)窗長(zhǎng)度,N表示模型道長(zhǎng)度。Thr為經(jīng)驗(yàn)值，根據(jù)實(shí)際微地震信號(hào)調(diào)整。

(6)采用檢波器布陣方式先設(shè)計(jì)粗時(shí)窗，再在粗時(shí)窗內(nèi)進(jìn)一步獲取精確時(shí)窗。

①粗時(shí)窗起止范圍為[T_i-Δ_i1,T_i+Δ_i2]，其中：

t₁為粗時(shí)窗起始時(shí)刻，T_i為STA/LTA法識(shí)別微地震事件觸發(fā)時(shí)刻，Δ1為震源點(diǎn)S₂到檢波器A₁與檢波器A_n的走時(shí)差和震源點(diǎn)S₀到檢波器A₁與檢波器A_n的走時(shí)差的差值。分別代表他們兩點(diǎn)間的距離，v代表地層速度，可根據(jù)測(cè)井資料獲得。

分別代表他們兩點(diǎn)間的距離，v代表地層速度，可根據(jù)測(cè)井資料獲得。

②精確時(shí)窗范圍設(shè)計(jì)如下，首先尋找時(shí)窗[t₁,T_i+Δ2]內(nèi)各道信號(hào)最大值Max_i，更改時(shí)窗下限為各道信號(hào)幅值最大值對(duì)應(yīng)時(shí)刻之后C1s處,保證幅值最值處波形完全包含在精確時(shí)窗內(nèi)，有利于計(jì)算精度的提高，在各道時(shí)窗內(nèi)最大值對(duì)應(yīng)時(shí)刻向前C2s作為時(shí)窗起始點(diǎn)，即精確時(shí)窗范圍為[Max_i-C2,Max_i+C1],,這樣有效避免以上問題出現(xiàn),C1、C2大小根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)調(diào)整，經(jīng)試驗(yàn)表明，C1取值0.01s-0.03s，C2取值0.04s-0.14s效果較好。

(7)利用離散Curvelet變化對(duì)時(shí)窗有效區(qū)域進(jìn)行多尺度分解，將不同頻率的信號(hào)剝離開來，進(jìn)一步提高有效數(shù)據(jù)信噪比。

(8)采用FAST-AIC法算法在精確時(shí)窗內(nèi)進(jìn)行精確初至拾取。對(duì)一個(gè)長(zhǎng)度為N的地震記錄x(i),(i＝1,2,...,N),AIC檢測(cè)器定義為:

AIC(k)＝k×lg(Var(x[1,k]))+(N-k-1)lg(Var(x[k+1,N]))

將上式變換為求取離散實(shí)數(shù)序列的算術(shù)和、平方和的線性組合形式,減少重復(fù)計(jì)算,極大地提高了計(jì)算效率。

將上式展開并變換得到：

其中令當(dāng)微地震數(shù)據(jù)長(zhǎng)度一定時(shí)，sm為定值，則有：

綜上可得快速AIC算法如下：

其中式中x_i為微地震波形序列，k的取值對(duì)應(yīng)x_i中采樣點(diǎn)，N為微地震記錄長(zhǎng)度。圖5所示為改進(jìn)的FAST-AIC算法的計(jì)算效率與傳統(tǒng)的AIC算法的對(duì)比。

本發(fā)明利用震源S₁、S₀、S₂依次產(chǎn)生一組正演模擬數(shù)據(jù)DATA，取測(cè)線L1的12道數(shù)據(jù)進(jìn)行可行性和準(zhǔn)確性的驗(yàn)證。DATA1是模擬數(shù)據(jù)DATA加入隨機(jī)噪聲(SNR＝4)后的合成數(shù)據(jù)。圖6為模擬數(shù)據(jù)DATA1道集示意圖。圖7為利用射孔信號(hào)初至?xí)r差文件Δt_i校正模擬數(shù)據(jù)DATA1，圖8(a)為將校正后的模擬數(shù)據(jù)各道信號(hào)橫向疊加獲得模型道，圖8(b)為利用hilbert變換求取模型道能量瞬時(shí)包絡(luò)E(i)，圖8(c)為采用STA/LTA法基于模型道能量包絡(luò)E(i)識(shí)別微地震事件，圖9為精確時(shí)窗內(nèi)數(shù)據(jù)放大圖，圖10精確時(shí)窗內(nèi)數(shù)據(jù)濾波后結(jié)果圖以及拾取結(jié)果。

本發(fā)明采用常規(guī)方法和本發(fā)明方法分別對(duì)四組加入不同強(qiáng)度噪聲的數(shù)據(jù)進(jìn)行初至拾取，由表1可知，在相同信噪比情況下，新方法在精度上具有明顯優(yōu)勢(shì)。在計(jì)算效率上，信噪比的改變對(duì)兩種方法耗時(shí)影響較小，但本文方法相較于常規(guī)方法耗時(shí)更短，由于本文采用數(shù)據(jù)較短，表現(xiàn)不明顯，當(dāng)處理海量微地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，計(jì)算效率會(huì)有顯著提高。

表1常規(guī)方法與本文方法對(duì)不同信噪比數(shù)據(jù)拾取對(duì)比圖

為了驗(yàn)證新方法的優(yōu)越性，利用常規(guī)方法和本發(fā)明方法對(duì)模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行初至拾取對(duì)比。圖11為現(xiàn)有STA/LTA法識(shí)別微地震事件結(jié)果圖，由圖可知微地震事件識(shí)別漏檢、誤檢情況的發(fā)生對(duì)后續(xù)初至拾取結(jié)果精度會(huì)產(chǎn)生直接影響，拾取精度較低。圖12為FAST-AIC法拾取初至結(jié)果圖，具有更好的拾取精度。

為驗(yàn)證新的微地震信號(hào)初至拾取方法的明顯優(yōu)勢(shì)，本發(fā)明對(duì)山西西北部某盆地進(jìn)行實(shí)際壓裂資料初至拾取，圖13為地面實(shí)際陣列式觀測(cè)系統(tǒng)排布圖。圖14是山西某地微地震信號(hào)的完整記錄，圖15為根據(jù)射孔信號(hào)初至?xí)r差文件Δt_i校正微地震數(shù)據(jù)結(jié)果圖，圖16(a)是校正后的模擬數(shù)據(jù)各道信號(hào)橫向疊加獲得模型道，圖16(b)所示是利用Hilbert變換求取模型道M(i)的能量包絡(luò)E(i)，圖16(c)為STA/LTA法基于模型道能量包絡(luò)E(i)識(shí)別微地震事件結(jié)果，圖17為采用本發(fā)明提出的方法與STA/LTA法、AR-AIC法、分形維法、以及人工拾取方法進(jìn)行對(duì)比，17(a)為AR-AIC方法拾取結(jié)果圖，17(b)為STA/LTA方法拾取結(jié)果圖，17(c)為分形維法拾取結(jié)果圖，17(d)為本文方法拾取結(jié)果圖，17(e)為人工拾取結(jié)果圖。圖18繪制了四種方法拾取結(jié)果與人工拾取結(jié)果的絕對(duì)誤差與實(shí)際數(shù)據(jù)信噪比(SNR)關(guān)系散點(diǎn)圖。