牟培杰　柴　晨

(山西省地球物理化學(xué)勘查院，山西 運(yùn)城　044004)

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微地震有效事件的自動(dòng)識(shí)別方法

牟培杰柴晨

(山西省地球物理化學(xué)勘查院，山西 運(yùn)城044004)

介紹了微地震有效事件識(shí)別的研究現(xiàn)狀，根據(jù)微地震監(jiān)測(cè)研究的需要，提出了用長(zhǎng)短時(shí)窗能量比法來自動(dòng)識(shí)別微地震的有效事件，解決了快速、準(zhǔn)確自動(dòng)識(shí)別微地震有效事件的問題。

微地震，能量比法，自動(dòng)識(shí)別

1　概述

在油氣田開發(fā)階段，通過分析微地震資料來確定裂縫的位置，從而對(duì)油藏動(dòng)態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)油田采收率的提高有重大的指導(dǎo)意義。但是以人工識(shí)別為主的微地震監(jiān)測(cè)資料處理方法會(huì)浪費(fèi)很大的人力物力，并且一次水利壓裂成像的時(shí)間很長(zhǎng),不利于今后微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展方向。目前，微地震有效事件的自動(dòng)拾取技術(shù)研究還處于初始階段，其方法也主要借鑒于天然地震。主要的拾取方法有：能量比法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、AIC算法、分形分維法、卡爾曼估計(jì)以及極化分析法等方法[1]。本文提出了用長(zhǎng)短時(shí)窗能量比法來快速、準(zhǔn)確的自動(dòng)識(shí)別微地震的有效事件，可以比較快速的得到壓裂結(jié)果，從而對(duì)壓裂效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，進(jìn)而對(duì)開采方案進(jìn)行及時(shí)調(diào)整。

2　微地震有效事件自動(dòng)識(shí)別技術(shù)

微地震有效事件的自動(dòng)識(shí)別是微地震資料后續(xù)處理的基礎(chǔ)，對(duì)震源定位的工作有很大影響。本文通過分析有效信號(hào)與背景噪聲的特點(diǎn)，以長(zhǎng)短時(shí)窗能量比(STA/LTA)法為基礎(chǔ)，結(jié)合多道檢波器相互間處置關(guān)系來進(jìn)行微地震事件的識(shí)別。微地震有效事件的自動(dòng)識(shí)別是利用有效地震波與背景噪聲在頻率、能量、功率譜、偏振特性等方面[2，3]的差異來實(shí)現(xiàn)的。由于微地震監(jiān)測(cè)是多道記錄，還可以利用相鄰道之間微地震事件的相關(guān)性與走時(shí)關(guān)系。

2.1長(zhǎng)短時(shí)窗能量比法

在地震信號(hào)的自動(dòng)識(shí)別方法中，能量比法是應(yīng)用最多，也是最快的一種。本文是通過長(zhǎng)短時(shí)窗能量比法(STA/LTA)來實(shí)現(xiàn)的，它利用能量比的不同來識(shí)別微地震的有效事件，這個(gè)能量比可以是不同分量、不同時(shí)窗、不同坐標(biāo)系的。微地震三分量記錄上有效信號(hào)和背景噪聲的不同能量特征為微地震有效事件的識(shí)別提供了可能。由于微地震監(jiān)測(cè)記錄是多分量的，在記錄的過程中受外界的影響，不同分量的數(shù)據(jù)好壞程度可能會(huì)不一樣，可以根據(jù)實(shí)際的情況選取不同的分量來進(jìn)行處理。對(duì)于微地震監(jiān)測(cè)的三分量記錄x(t),y(t),z(t)。z(t)為垂直分量，x(t),y(t)為水平分量，可以選擇合適的分量組合來求取能量：

EZ(t)=|z(t)|

(1)

式(1)中的三個(gè)組合分別是三個(gè)分量、垂直分量與水平分量的能量。

在應(yīng)用長(zhǎng)短時(shí)窗能量比法識(shí)別微地震事件的過程中，選擇一個(gè)滑動(dòng)的時(shí)窗，即在某一時(shí)刻t0前后分別以一定的長(zhǎng)度選取長(zhǎng)時(shí)窗和短時(shí)窗，并求得長(zhǎng)短時(shí)窗內(nèi)能量的平均值，根據(jù)長(zhǎng)短時(shí)窗內(nèi)所求的平均值來計(jì)算能量比。

長(zhǎng)短時(shí)窗能量比法(STA/LTA)特征函數(shù)可以定義為:

R=STA(t)/LTA(t)

(2)

其中：

(3)

(4)

其中，t1，t0分別為長(zhǎng)時(shí)窗起止時(shí)刻；t0，t2分別為短時(shí)窗起止時(shí)刻，如圖1所示。

在利用長(zhǎng)短時(shí)窗能量比法進(jìn)行微地震事件的識(shí)別時(shí)，在兩個(gè)時(shí)窗內(nèi)通過能量特征的變化來描述微地震事件的到來，通過時(shí)間窗的滑動(dòng)分別求得短時(shí)窗的能量平均值和長(zhǎng)時(shí)窗的能量平均值。長(zhǎng)時(shí)窗的平均值(LTA)描述的是微地震監(jiān)測(cè)資料背景噪聲能量的變化趨勢(shì)，而描述微地震監(jiān)測(cè)資料有效信號(hào)的能量變化趨勢(shì)的是短時(shí)窗的平均值(STA)。微地震有效事件到來時(shí)，短時(shí)窗的平均值比長(zhǎng)時(shí)窗的平均值變化得快，所以STA/LTA的值會(huì)有一個(gè)明顯的突跳，當(dāng)這個(gè)比值超過所設(shè)定的門限值時(shí)，就認(rèn)為有微地震事件的到來。關(guān)于閾值的設(shè)置，本文通過實(shí)際微地震資料的處理和分析，得出：短時(shí)窗長(zhǎng)度相對(duì)于長(zhǎng)時(shí)窗長(zhǎng)度越小，STA/LTA的敏感性越高，設(shè)置初設(shè)閾值應(yīng)該大一些；短時(shí)窗長(zhǎng)度相對(duì)于長(zhǎng)時(shí)窗長(zhǎng)度越大，敏感性越低，設(shè)置初設(shè)閾值應(yīng)該小一些。閾值可以設(shè)定為一個(gè)固定值，通常情況下可以估算出微地震資料的信噪比，當(dāng)門限值設(shè)為信噪比的3/4時(shí)，基本上可以識(shí)別出大部分的微地震事件。

利用長(zhǎng)短時(shí)窗能量比法進(jìn)行微地震有效事件的識(shí)別是基于單級(jí)檢波器的，當(dāng)觀測(cè)井中的環(huán)境比較復(fù)雜、微地震監(jiān)測(cè)資料的信噪比比較低時(shí)，單獨(dú)利用一級(jí)檢波器來進(jìn)行微地震有效事件的識(shí)別，誤拾的情況可能會(huì)比較多，這時(shí)所得結(jié)果不可靠。因此可以根據(jù)水力壓裂的設(shè)計(jì)，先估計(jì)出微地震信號(hào)到達(dá)檢波器的時(shí)間規(guī)律，利用多級(jí)檢波器綜合考慮。當(dāng)微地震事件傳播到檢波器時(shí)，各個(gè)三分量檢波器上應(yīng)該都能記錄到，而且它們的到來具有一定的規(guī)律性，可以利用其規(guī)律設(shè)置一個(gè)滑動(dòng)的時(shí)窗，在多級(jí)檢波器上進(jìn)行檢測(cè)，以確保不會(huì)出現(xiàn)由其他原因引起的誤拾。圖2是一段微地震資料的能量比曲線，可以看到如果是微地震信號(hào)，它會(huì)在多道檢波器上表現(xiàn)出來(方框處)，而不是在某一道上出現(xiàn)峰值，這樣就可以避免一些誤拾的可能性，而且P波、S波能夠分開。

2.2P波、S波識(shí)別

在進(jìn)行微地震事件的自動(dòng)識(shí)別時(shí)，如果門限值被觸發(fā)，就可以斷定有微地震事件的發(fā)生。但是不能判斷觸發(fā)門限值的微地震信號(hào)的波型是P波還是S波。為此，我們可以對(duì)微地震的有效信號(hào)進(jìn)行偏振分析，通過偏振方向來判斷該事件是P波還是S波。

雖然微地震震源的空間位置是我們要確定的量，但是在此之前，我們可以根據(jù)壓裂施工設(shè)計(jì)和其他信息估計(jì)出一個(gè)大概范圍。假如地層介質(zhì)不是各向異性的，并且壓裂裂縫不會(huì)產(chǎn)生橫波分裂，那么P波、SH波、SV波的偏振主方向應(yīng)該是相互垂直的，我們可以根據(jù)協(xié)方差矩陣分解尋找其最大特征向量從而求得它們的偏振方向。

假設(shè)在一個(gè)時(shí)窗內(nèi)有N個(gè)樣點(diǎn)，每個(gè)樣點(diǎn)都有X，Y，Z三個(gè)分量。那么在時(shí)窗[T1，T2]內(nèi)，所有樣點(diǎn)的平均值為：

(5)

其中,(n2-n1)Δt=T2-T1，Δt為采樣間隔；N為采樣點(diǎn)數(shù)，N=n2-n1+1時(shí)窗內(nèi)采樣點(diǎn)的協(xié)方差矩陣表示為：

(6)

其中，cov為協(xié)方差運(yùn)算，求取向量x(i)與y(i)的協(xié)方差的運(yùn)算為：

(7)

由式(7)協(xié)方差矩陣我們可以得到三個(gè)特征值λ1,λ2,λ3(λ1>λ2>λ3)以及對(duì)應(yīng)的三個(gè)特征向量Λ1,Λ2,Λ3。最大特征值對(duì)應(yīng)的最大特征向量可以認(rèn)為是波振動(dòng)的方向。

假如地層介質(zhì)不是各向異性的，并且壓裂裂縫不會(huì)產(chǎn)生橫波分裂，那么P波、SH波、SV波的偏振主方向應(yīng)該是相互垂直的。如果是P波，其振動(dòng)方向與地震波的傳播方向是一致的，當(dāng)檢波器被放置在與震源近似同一水平面的地層中時(shí)，P波的偏振主方向與檢波器的垂直分量近似垂直，微地震記錄中P波的垂直分量也就很小。與P波正好相反，如果SV波的震源與檢波器深度近似時(shí)，由于SV波的垂直振動(dòng)，三分量記錄上垂直分量的值會(huì)很大。當(dāng)然，如果檢波器的深度與震源位置錯(cuò)開比較大的話，P波、SV波的偏振特性會(huì)出現(xiàn)相反的情況。而對(duì)于微震震源發(fā)出的SH波來說，由于SH波是在水平面內(nèi)振動(dòng)的，在層狀地層條件下三分量檢波器上是不會(huì)出現(xiàn)垂直分量的，它與P波的偏振方向和自身的傳播方向是垂直的。雖然不知道微地震震源的位置，但是可以根據(jù)壓裂施工設(shè)計(jì)和壓裂井監(jiān)測(cè)井的空間位置對(duì)其大概的范圍做出估計(jì)，從而對(duì)P波和SH波的偏振主方向也做出一個(gè)大概的估計(jì)，如果不出現(xiàn)特殊的情況它們基本上不會(huì)重合，就算出現(xiàn)也不會(huì)很多[4]。

3　結(jié)語

本文首先介紹了微地震有效事件識(shí)別的研究現(xiàn)狀，根據(jù)微地震監(jiān)測(cè)的實(shí)際需要，研究了基于長(zhǎng)短時(shí)窗能量比的微地震有效事件識(shí)別方法，該方法在實(shí)際微地震資料的處理過程中能夠快速識(shí)別出微地震的有效事件，并利用偏振分析方法對(duì)微地震的波型進(jìn)行判斷。

[1]周彥文,劉希強(qiáng).初至震相自動(dòng)識(shí)別方法研究與發(fā)展趨勢(shì)[J].華北地震科學(xué),2007,25(4):18-22.

[2]王繼，陳九輝，劉啟元，等.流動(dòng)地震臺(tái)陣觀測(cè)初至震相的自動(dòng)檢測(cè)[J].地震學(xué)報(bào),2006,28(1):42-51.

[3]左國平，王彥春，隋榮亮.利用能量比法拾取地震初至的一種改進(jìn)方法[J].石油物探,2004,43(4):345-347.

[4]E.H.加爾彼林.地震勘探偏振法[M].北京：石油工業(yè)出版社,1989.

On automatic identification methods for microseism effective events

Mou PeijieChai Chen

(ShanxiProvinceGeophysicalandGeochemicalExplorationInstitute,Yuncheng044004,China)

The paper introduces the research status of the identification of microseism effective events, and points out the length of time window energy ratio method to have the automatic identification of the effective events of microseism according to the research on the microseism inspection, so as to solve the fast and accurate automatic identification of microseism effective events.

microseism, energy ratio method, automatic identification

1009-6825(2016)08-0070-03

2016-01-05

牟培杰(1986- )，男，助理工程師；柴晨(1990- )，男，助理工程師

TU352

A