一種基于互相關(guān)偏移與最小二乘思想的微地震定位方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種微地震震源定位方法，包括以下步驟：1)、通過互相關(guān)偏移方法確定震源空間位置的初始定位結(jié)果和微地震震源的激發(fā)時(shí)刻；2)、基于確定的激發(fā)時(shí)刻，使用最小二乘Kirchhoff方法進(jìn)行迭代求解，獲得精確定位結(jié)果。本方法可以在無需知道激發(fā)時(shí)刻的情況下求取震源空間位置的初始定位結(jié)果，在互相關(guān)偏移初始定位結(jié)果的基礎(chǔ)上，生成反偏移記錄，然后用反偏移記錄與原始記錄進(jìn)行互相關(guān)，求取激發(fā)時(shí)刻，然后基于確定的激發(fā)時(shí)刻，利用最小二乘Kirchhoff方法進(jìn)行迭代，獲得精確定位結(jié)果，方法簡單且精確度高。
【專利說明】
一種基于互相關(guān)偏移與最小二乘思想的微地震定位方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于地球物理學(xué)領(lǐng)域中的地震技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種微地震震源定位方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 震源定位問題一直是地球物理學(xué)的研究熱點(diǎn)。隨著低孔、低滲油氣藏的不斷開發(fā)， 水力壓裂已成為這類非常規(guī)油氣藏保持產(chǎn)量的必要手段。而通過對(duì)壓裂誘發(fā)裂縫的位置和 形態(tài)等信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以有效保證壓裂施工的有效性，可以進(jìn)一步指導(dǎo)油氣田的后續(xù)開 發(fā)。
[0003] 目前的震源定位主要有以下幾種方式：
[0004] 1、以波場逆時(shí)不變性理論為基礎(chǔ)的成像類定位方法(Artman et al. ,2010);此類 定位方法，計(jì)算量較大，比較難以滿足壓裂過程的實(shí)時(shí)性監(jiān)測(cè)要求，一般只能用于后續(xù)數(shù)據(jù) 分析。
[0005] 2、根據(jù)波形的時(shí)移和疊加思想，借鑒繞射疊加或Kirchhoff偏移的成像類定位方 法(Burch et al.，2009;Gajewski et al.，2007);此類定位方法需要知道精確的激發(fā)時(shí) 亥IJ，而微地震觀測(cè)中，這個(gè)時(shí)間是未知的。
[0006] 3、借鑒常規(guī)地震偏移思想并采用地震干涉法中互相關(guān)成像條件的互相關(guān)偏移方 法（Schuster et al. ,2004);此種方法相比前兩種方法，既具有較高的計(jì)算效率又無需知 道激發(fā)時(shí)刻，但是互相關(guān)偏移獲取的微地震定位結(jié)果分辨率較差。
[0007] 綜上，需要一種新的定位方法來克服上述方法的缺點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的是提供一種微地震震源定位方法，能夠獲得精確定位結(jié)果。
[0009] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:本發(fā)明公開了一種基于互相關(guān)偏移 與最小二乘思想的微地震定位方法，具體包括以下步驟：
[0010] 1)、通過互相關(guān)偏移方法確定震源空間位置的初始定位結(jié)果和微地震震源的激發(fā) 時(shí)刻；
[0011] 2)、基于確定的激發(fā)時(shí)刻，使用最小二乘Kirchhoff方法進(jìn)行迭代求解，獲得精確 定位結(jié)果。
[0012] 其中所述步驟1)中確定震源空間位置的初始定位結(jié)果具體如下所述：
[0013] 11)、獲取同一震源原始的微地震記錄gather(t，n)，其中t代表每個(gè)檢波點(diǎn)記錄的 時(shí)間序列，n代表檢波點(diǎn)的個(gè)數(shù)，然后設(shè)置一個(gè)選擇函數(shù)M(t，n)，該選擇函數(shù)與原始的微地 震記錄gather (t，n)大小一致，每個(gè)檢波點(diǎn)的選擇函數(shù)結(jié)果如式(1)所示：
[0014] 0 ^ 0 〇 ：rlj J ^ ? ^ ^ ^ ^
[0015]其中，直達(dá)波信息為需要保留的信息，它對(duì)應(yīng)位置的值為1，直達(dá)波外的信息是不 需要保留的信息，它對(duì)應(yīng)位置的值為0;
[0016] t代表第i個(gè)檢波器的時(shí)間序列，th代表第i個(gè)檢波器中直達(dá)波的開始記錄時(shí)刻， t2i代表第i個(gè)檢波器中直達(dá)波的結(jié)束時(shí)刻；
[0017] 然后，將選擇函數(shù)M(t，n)和原始的微地震記錄gather(t，n)相乘，得到只含有直達(dá) 波信息的記錄D(t，n)，如式(2)所示：
[0018] D(t，n) =M(t，n)gather(t，n) (2);
[0019] 然后假設(shè)^為震源的激發(fā)時(shí)刻，W為震源子波，假設(shè)不重合的任意兩個(gè)檢波器A和B 接收到的直達(dá)波信息為分別為II和筆，則鬆;和i；分別如式(3)和(4)所示：
[0020] If
[0021] 馬獄 (4) ?
[0022] 此式中《代表震源的主頻，G(A，s，《 )和G(B，s，《 )分別代表震源s到檢波器A和B 的格林函數(shù)；
[0023] 12)、基于上述馬和Pi，得到基于互相關(guān)偏移的微地震震源成像表達(dá)式：
[0026] 上述式(5)、式(6)中nhonU^)為定位結(jié)果，x和z代表定位結(jié)果的橫坐標(biāo) 和縱坐標(biāo)，tsA為震源s到檢波點(diǎn)A的旅行時(shí)，tsB為震源s到檢波點(diǎn)B的旅行時(shí)，該旅行時(shí)根據(jù) 測(cè)井資料建立的速度模型計(jì)算得到，其中，定位結(jié)果m。? (x，z)任意一點(diǎn)的振幅代表該點(diǎn)為 震源點(diǎn)的可能性，該點(diǎn)振幅越大，代表其越有可能是真實(shí)的震源位置。
[0027] 所述步驟1)中確定微地震震源的激發(fā)時(shí)刻具體如下所述：
[0028] 13)、根據(jù)震源定位結(jié)果m_(X，z)進(jìn)行反偏移得到反偏移的微地震直達(dá)波信息D&; [0029]反偏移如式(7)所示：
[0030] DJ( = Lmrrm=J^W((〇)G(Un^ (1) i
[0031] 其中，L為反偏移算子，i表示觀測(cè)系統(tǒng)中的檢波點(diǎn)；
[0032] 14)、根據(jù)反偏移獲得的微地震直達(dá)波信息Dde和實(shí)際采集微地震直達(dá)波信息D(t， n)的互相關(guān)值，確定微地震震源的激發(fā)時(shí)刻ts ;
[0033] ^ = ^gm^x(c〇!T(D(t,n),DJt,n))) (8) t
[0034] 其中(3〇^(0(^)，叫6(^))代表的是獲取互相關(guān)值，￡1@^^^代表的是當(dāng)互相關(guān) t 值最大時(shí)^的值。
[0035]其中所述的步驟2)具體為：
[0036] 基于確定的激發(fā)時(shí)刻構(gòu)造最小二乘框架進(jìn)行反演求解：
[0037] f(miSm) = | | L(Ts)miSm(x，z)-D(t，n) | 12 (9)
[0038] 其中，f (mism)是構(gòu)造的最小二乘目標(biāo)函數(shù)，mism為最小二乘Kirchhoff方法進(jìn)行迭 代更新后的精確定位結(jié)果，miSm( X，z)的大小和m。。]^ X，z) -致，橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)為X，z，L (Ts) 為已知激發(fā)時(shí)刻的正演算子;經(jīng)過迭代，得到最終的精確定位結(jié)果mism( X，z)。
[0039] 所述最小二乘Kirchhoff方法的迭代過程為：
[0040] 假設(shè)初始模型為:misii/inkaii;
[0041] 則，在第k+1次迭代的流程為：
[0042] A m = LT(Lmismk-D)；
[0043] mismk+1=rnismk-a Am；
[0044]其中，k為迭代的次數(shù)，mlsmk代表第k次迭代的定位結(jié)果，Am代表在第k次迭代過程 中求取的對(duì)定位結(jié)果的更新誤差，a為對(duì)第k+1次定位結(jié)果mlsmk+1進(jìn)行更新時(shí)的計(jì)算步長。
[0045] 本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)是:本發(fā)明可以在無需知道激發(fā)時(shí)刻的情況下通過互相關(guān)偏移 求取震源空間位置的初始定位結(jié)果，在互相關(guān)偏移初始定位結(jié)果的基礎(chǔ)上，生成反偏移記 錄，然后用反偏移記錄與原始記錄進(jìn)行互相關(guān)，求取激發(fā)時(shí)刻，然后基于確定的激發(fā)時(shí)刻， 利用最小二乘Kirchhoff方法進(jìn)行迭代，獲得精確定位結(jié)果。
【附圖說明】 [0046]
[0047]圖1是微地震激發(fā)的示意圖；
[0048]圖2是采集的微地震原始數(shù)據(jù)圖；
[0049] 圖3是選取的初始波波形圖；
[0050] 圖4是根據(jù)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)建立的速度模型圖；
[0051 ]圖5是使用互相關(guān)偏移進(jìn)行的初始定位圖；
[0052]圖6是基于互相關(guān)偏移的結(jié)果求取的最佳激發(fā)時(shí)間示意圖；
[0053] 圖7是最小二乘定位結(jié)果不意圖；
[0054] 圖8是定義的目標(biāo)函數(shù)收斂情況示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0055] 本發(fā)明公開了一種基于互相關(guān)偏移與最小二乘思想的微地震定位方法，包括 [0056] 以下步驟：
[0057]步驟1)、通過互相關(guān)偏移方法確定震源空間位置的初始定位結(jié)果和微地震震源的 激發(fā)時(shí)刻；
[0058] 11)、獲取同一震源原始的微地震記錄gather(t，n)，其中t代表每個(gè)檢波點(diǎn)記錄的 時(shí)間序列，n代表檢波點(diǎn)的個(gè)數(shù)，如圖2、圖3所示，橫坐標(biāo)是n，縱坐標(biāo)是t，然后設(shè)置一個(gè)選擇 函數(shù)M( t，n )，該選擇函數(shù)與原始的微地震記錄gather (t，n)大小一致，每個(gè)檢波點(diǎn)的選擇函 數(shù)結(jié)果如式(1)所示： v 、 { ^ tv < t： < t3 ： _9] M
[0060] 其中，直達(dá)波信息為需要保留的信息，它對(duì)應(yīng)位置的值為1，直達(dá)波外的信息是不 需要保留的信息，它對(duì)應(yīng)的位置的值為〇;
[0061] t代表第i個(gè)檢波器的時(shí)間序列，th代表第i個(gè)檢波器中直達(dá)波的開始記錄時(shí)刻， t2i代表第i個(gè)檢波器中直達(dá)波的結(jié)束時(shí)刻。其中檢波點(diǎn)代表檢波器所在的方位。然后，將選 擇函數(shù)M( t，n)和原始的微地震記錄gather (t，n)相乘，得到只含有直達(dá)波信息的記錄D (t， n)，如式(2)所示：
[0062] D(t，n) =M(t，n)gather(t，n) (2);
[0063] 然后假設(shè)^為震源的激發(fā)時(shí)刻，W為震源子波，為更清楚表示互相關(guān)偏移的過程， 如圖1所示，則只含有直達(dá)波信息的記錄D(t，n)中，假設(shè)不重合的任意兩個(gè)檢波器A和B接收 到的直達(dá)波信息為分別為_和舄,則迄和％分別如式⑶和(4)所示：
[0064] 1% :微.' :義爲(wèi)翁觀《 ' 〇);
[0065] H數(shù)撳 <瓣_|慕為病費(fèi)(4)
[0066] 此式中《代表震源的主頻，G(A，s，《 )和G(B，s，《 )分別代表震源s到檢波器A和B 的格林函數(shù)，i是虛數(shù)單位，e是自然常數(shù)。
[0067] 12)、基于上述I；和吞"得到基于互相關(guān)偏移的微地震震源成像表達(dá)式；
[0068] ^ ( 5 );
[0069] 甘中，.參發(fā)')徽錢談丨夢(mèng):從I獻(xiàn)|:齡》I*說為爲(wèi)録 '、 (6 )
[0070] 上述式(5)、式(6)中nhonU^)為定位結(jié)果，x和z代表定位結(jié)果mc^mU^)的橫坐標(biāo) 和縱坐標(biāo)，t sA為震源s到檢波點(diǎn)A的旅行時(shí)，tsB為震源s到檢波點(diǎn)B的旅行時(shí)，該旅行時(shí)根據(jù) 測(cè)井資料建立的速度模型計(jì)算得到，如圖4所示。其中，定位結(jié)果m。?(x，z)任意一點(diǎn)的振幅 代表該點(diǎn)為震源點(diǎn)的可能性，該點(diǎn)振幅越大，代表其越有可能是真實(shí)的震源位置。
[0071] 13)、根據(jù)震源定位結(jié)果mc^(X，z)進(jìn)行反偏移得到反偏移的微地震直達(dá)波信息 Dde ;
[0072]反偏移如式(7)所示：
[0073] A/, = (7) i
[0074] 其中，L為反偏移算子，其中，i表示觀測(cè)系統(tǒng)中的檢波點(diǎn)；
[0075] 14)、根據(jù)反偏移的微地震直達(dá)波信息Dde和微地震直達(dá)波信息D(t，n)的互相關(guān)值， 確定微地震震源的激發(fā)時(shí)刻TS ;
[0076] rs = arg max (corr(D(t, n),Ddc (U n))) (g ^ t
[0077]其中(3〇^(〇(^)，〇心(111))代表的是獲取互相關(guān)值，^胃0嚴(yán)〇代表的是當(dāng)互相 關(guān)值最大時(shí)ts的值。
[0078]步驟2)、基于確定的激發(fā)時(shí)刻，使用最小二乘Kirchhoff方法進(jìn)行迭代求解，獲得 精確定位結(jié)果：
[0079] 基于確定的激發(fā)時(shí)刻構(gòu)造最小二乘框架進(jìn)行反演求解：
[0080] f(miSm) = | | L(Ts)miSm(x，z)-D(t，n) | 12 (9);
[0081 ] 其中，f(miSm)是構(gòu)造的最小二乘目標(biāo)函數(shù)，mism為最小二乘Kirchhoff方法進(jìn)行迭 代更新后的精確定位結(jié)果，mism(X，Z )的大小和IlhanU，Z )-致，橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)為X和Z，兩者 均為空間信息，具體關(guān)系為:m_(x，z)為提供了一個(gè)很好的初始結(jié)果，通過迭代，mlsm(x，z) 的空間分辨率會(huì)得到提高，L(Ts)為已知激發(fā)時(shí)刻的正演算子;經(jīng)過迭代，得到最終的精確 定位結(jié)果miSm(x，z)。
[0082]
[0083] 其中最小二乘Kirchhoff方法的迭代過程為：
[0084]假設(shè)初始模型(第一次迭代結(jié)果)為:nujimc?
[0085]貝1J，在第k+1次迭代的流程為：
[0086] A m = LT(Lmismk-D)；
[0087] mismk+1=rnismk-a Am；
[0088] 其中，k為迭代的次數(shù)，mlsmk代表第k次迭代的定位結(jié)果，Am代表在第k次迭代過程 中求取的對(duì)定位結(jié)果的更新誤差，a為對(duì)第k+1次定位結(jié)果m lsmk+1進(jìn)行更新時(shí)的計(jì)算步長。
[0089] 迭代后的定位結(jié)果如圖7所示，通過對(duì)比可以看出，迭代后的定位結(jié)果更加聚焦。 此外，最小二乘Kirchhoff方法目標(biāo)函數(shù)收斂情況如圖8所示，橫坐標(biāo)代表迭代次數(shù)，縱坐標(biāo) 代表迭代誤差，該圖表示隨著迭代不斷增加誤差不斷減小。
[0090] 以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精 神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。應(yīng) 當(dāng)理解的是，本公開并不局限于上面已經(jīng)描述并在附圖中示出的精確結(jié)構(gòu)，并且可以在不 脫離其范圍進(jìn)行各種修改和改變。本公開的范圍僅由所附的權(quán)利要求來限制。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于互相關(guān)偏移與最小二乘思想的微地震定位方法，其特征在于:包括以下步 驟： 1) 、通過互相關(guān)偏移方法確定震源空間位置的初始定位結(jié)果和微地震震源的激發(fā)時(shí) 刻； 2) 、基于確定的激發(fā)時(shí)刻，使用最小二乘Kirchhoff方法進(jìn)行迭代求解，獲得精確定位 結(jié)果。2. 如權(quán)利要求1所述的基于互相關(guān)偏移與最小二乘思想的微地震定位方法，其特征在 于:所述步驟1)中確定震源空間位置的初始定位結(jié)果具體如下所述： 11) 、獲取同一震源原始的微地震記錄gather(t，n)，其中t代表每個(gè)檢波點(diǎn)記錄的時(shí)間 序列，η代表檢波點(diǎn)的個(gè)數(shù)，然后設(shè)置一個(gè)選擇函數(shù)M(t，n)，該選擇函數(shù)與原始的微地震記 錄gather (t，n)大小一致，每個(gè)檢波點(diǎn)的選擇函數(shù)結(jié)果如式(1)所示：其中，直達(dá)波信息為需要保留的信息，它對(duì)應(yīng)位置的值為1，直達(dá)波外的信息是不需要 保留的信息，它對(duì)應(yīng)位置的值為〇; U代表第i個(gè)檢波器的時(shí)間序列，th代表第i個(gè)檢波器中直達(dá)波的開始記錄時(shí)刻， 表第i個(gè)檢波器中直達(dá)波的結(jié)束時(shí)刻； 然后，將選擇函數(shù)M(t，n)和原始的微地震記錄gather(t，n)相乘，得到只含有直達(dá)波信 息的記錄D(t，n)，如式(2)所示： D(t，n) =M(t，n)gather(t，n) (2); 然后假設(shè)18為震源的激發(fā)時(shí)刻，W為震源子波，假設(shè)不重合的任意兩個(gè)檢波器A和B接收 到的直達(dá)波信息為分別為ζ和％，則5和1；分別如式⑶和⑷所示：此式中ω代表震源的主頻，G(A，s，ω )和G(B，s，ω )分別代表震源s到檢波器A和B的格 林函數(shù)； 12) 、基于上述^和.!；，得到基于互相關(guān)偏移的微地震震源成像表達(dá)式：上述式(5)、式(6)中Ιιη(Χ，Ζ)為定位結(jié)果，X和Z代表定位結(jié)果Ιιη(Χ，Ζ)的橫坐標(biāo)和縱 坐標(biāo)，TsA為震源s到檢波點(diǎn)Α的旅行時(shí)，TSB為震源s到檢波點(diǎn)Β的旅行時(shí)，該旅行時(shí)根據(jù)測(cè)井 資料建立的速度模型計(jì)算得到，其中，定位結(jié)果mmmU，Z )任意一點(diǎn)的振幅代表該點(diǎn)為震源 點(diǎn)的可能性，該點(diǎn)振幅越大，代表其越有可能是真實(shí)的震源位置。3. 如權(quán)利要求2所述的基于互相關(guān)偏移與最小二乘思想的微地震定位方法， 其特征在于:所述步驟1)中確定微地震震源的激發(fā)時(shí)刻具體如下所述： 13) 、根據(jù)震源定位結(jié)果ι?(Χ，ζ)進(jìn)行反偏移得到反偏移的微地震直達(dá)波信息Dde; 反偏移如式(7)所示：其中，L為反偏移算子，i表示觀測(cè)系統(tǒng)中的檢波點(diǎn)； 14) 、根據(jù)反偏移獲得的微地震直達(dá)波信息D&和實(shí)際采集微地震直達(dá)波信息D(t，n)的 互相關(guān)值，確定微地震震源的激發(fā)時(shí)刻t s ;其中(3〇^(0(丨，11)，0(^(丨，11))代表的是獲取互相關(guān)值： 代表的是當(dāng)互相關(guān)值最 大時(shí)ts的值。4. 如權(quán)利要求3所述的基于互相關(guān)偏移與最小二乘思想的微地震定位方法，其特征在 于:所述的步驟2)具體為： 基于確定的激發(fā)時(shí)刻，構(gòu)造最小二乘框架進(jìn)行反演求解： f(miSm)= | |L(Ts)mism(x，z)-D(t，n) | 丨2 (9) 其中，f (mism)是構(gòu)造的最小二乘目標(biāo)函數(shù)，mism為最小二乘Kirchhoff方法進(jìn)行迭代更 新后的精確定位結(jié)果，m 1 s m (X，z)的大小和m。。m (X，z) -致，橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)分別為X和z。L (ts)為已知激發(fā)時(shí)刻的正演算子;經(jīng)過迭代，得到最終的精確定位結(jié)果mlsm(x，z)。5. 如權(quán)利要求4所述的基于互相關(guān)偏移與最小二乘思想的微地震定位方法，其特征在 于:所述最小二乘Kirchhoff方法的迭代過程為： 假設(shè)初始模型為:mism1=m。?; 貝lj，在第k+1次迭代的流程為： A m=LT(Lmismk-D)； mismk+1=rnismk-a Am； 其中，k為迭代的次數(shù)，mlsmk代表第k次迭代的定位結(jié)果，Am代表在第k次迭代過程中求 取的對(duì)定位結(jié)果的更新誤差，a為對(duì)第k+Ι次定位結(jié)果mlsmk+1進(jìn)行更新時(shí)的計(jì)算步長。
【文檔編號(hào)】G01V1/28GK105929444SQ201610217953
【公開日】2016年9月7日
【申請(qǐng)日】2016年4月8日
【發(fā)明人】王博, 王一博, 武紹江, 常旭
【申請(qǐng)人】中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所