潘樹(shù)林, 崔慶輝, 秦子雨, 閆 柯

(1.西南石油大學(xué) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,成都 610500；2.勝利油田分公司 物探研究院,東營(yíng) 257000；3.中國(guó)石油天然氣股份有限公司 西南油氣田分公司,成都 610051)

0 引言

微地震監(jiān)測(cè)是非常規(guī)油氣水力壓裂中的一項(xiàng)重要技術(shù),通過(guò)記錄并處理壓裂產(chǎn)生的微地震信號(hào)對(duì)壓裂效果進(jìn)行評(píng)估。壓裂過(guò)程中除了微地震信號(hào)被記錄下來(lái)還夾雜大量的噪音，尤其對(duì)于地面微地震監(jiān)測(cè)，有效的微地震信號(hào)往往被大量的噪音淹沒(méi)[1-3]。因此，快速準(zhǔn)確地識(shí)別出微地震有效信號(hào)是后續(xù)微地震事件定位的基本前提。長(zhǎng)短時(shí)窗能量比是經(jīng)典的微地震信號(hào)識(shí)別方法，長(zhǎng)時(shí)窗能量表示背景噪音特征，短時(shí)窗能量表示信號(hào)特征，預(yù)設(shè)信號(hào)和噪音能量比門(mén)檻值，通過(guò)滑動(dòng)掃描局部特增值異常自動(dòng)識(shí)別有效的微地震事件。這種方法一般基于單道微地震記錄，受噪音影響信噪比較低的微地震事件往往不易被準(zhǔn)確識(shí)別。后來(lái)發(fā)展起來(lái)的一些方法大都基于該原理，用不同于能量的特征函數(shù)進(jìn)行了一些改進(jìn)。Hu等[4]提出了改進(jìn)的時(shí)變斜度峰度法微地震信號(hào)識(shí)別技術(shù)，其原理是利用高階統(tǒng)計(jì)量中的峰度或斜度代替能量值，相對(duì)于直接計(jì)算能量對(duì)噪聲具有更好的壓制能力。Lv等[5]和Song等[6-8]提出在常規(guī)的單道長(zhǎng)短時(shí)窗能量比識(shí)別方法基礎(chǔ)上，加入了有效微地震信號(hào)的偏振特性進(jìn)行約束，進(jìn)一步提高了識(shí)別的準(zhǔn)確性。Li等[9]研究了利用多尺度形態(tài)學(xué)識(shí)別微地震監(jiān)測(cè)中的弱信號(hào)的方法，其原理是將混有噪音的信號(hào)分解到不同的尺度內(nèi)，然后適當(dāng)?shù)闹亟M加權(quán)系數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)大尺度、強(qiáng)能量低頻噪聲和隨機(jī)噪聲的壓制，其實(shí)質(zhì)是一種去噪方法。研究發(fā)現(xiàn)相鄰道微地震有效信號(hào)具有較好的相似性，基于這一特征一些學(xué)者發(fā)展了基于多道特征的微地震有效信號(hào)識(shí)別方法。Wang等[10]研究了基于時(shí)頻稀疏性分析法的低信噪比微震事件識(shí)別方法，以低Renyi熵值道數(shù)為判別閾值的目標(biāo)函數(shù)，一定程度上利用了多道信息；Tan等[6]提出了基于多道相似系數(shù)的微地震事件自動(dòng)識(shí)別方法，其原理是在一個(gè)滑動(dòng)時(shí)窗內(nèi)對(duì)分段記錄進(jìn)行時(shí)差校正后計(jì)算其多道相似系數(shù)，并利用該相似系數(shù)作為檢測(cè)微地震事件的依據(jù)，該方法由于充分利用了多道之間微地震信號(hào)的相似性，對(duì)于低信噪比事件具有較好的識(shí)別效果。筆者基于Tan等[6]的研究成果，利用微地震信號(hào)相鄰道之間的相關(guān)性，提出了一種基于相鄰道互相關(guān)的多道信噪能量統(tǒng)計(jì)微地震有效信號(hào)識(shí)別方法，經(jīng)過(guò)模型驗(yàn)證和實(shí)際資料處理，取得了較好的應(yīng)用效果。

1 方法原理

微地震記錄中包含有效信號(hào)和噪音兩個(gè)分量，可用式(1)表示。

xi(t)=si(t)+ni(t)i=1,2,3,…,N

(1)

其中:xi(t)為第i個(gè)檢波器的記錄;si(t)為第i個(gè)檢波器記錄中的有效微地震信號(hào);ni(t)為第i個(gè)檢波器記錄中的噪音;N為檢波器個(gè)數(shù)。

根據(jù)相鄰兩道信號(hào)之間具有相關(guān)性，噪音之間以及噪音和信號(hào)之間不具有相關(guān)性，則第i道和第i+1道記錄之間的互相關(guān)可表示為式(2),即相鄰兩道互相關(guān)等于相鄰兩道信號(hào)互相關(guān)。

ci,i + 1(t)=xi(t)?xi + 1(t)=

[si(t)+ni(t)]?[si+1(t)+ni+1(t)]=

si(t)?si+1(t)+si(t)?ni+1(t)+

ni(t)?si+1(t)+ni(t)?ni+1(t)=

si(t)?si+1(t)

(2)

考慮到微地震信號(hào)到相鄰兩個(gè)檢波器存在時(shí)差，取式(2)最大值作為信號(hào)能量。為了壓制噪音對(duì)信號(hào)能量的影響，利用多道統(tǒng)計(jì)計(jì)算平均微地震信號(hào)能量，假設(shè)利用相鄰兩道計(jì)算的微地震信號(hào)能量為Ei,i+1，平均微地震信號(hào)能量為Es，則Es可通過(guò)式(3)求取。

(3)

根據(jù)信號(hào)分析理論，信號(hào)零延遲時(shí)的自相關(guān)表示信號(hào)能量，假設(shè)微地震記錄的平均總能量為Esum，則Esum可用式(4)表示。

(4)

設(shè)噪音能量為En，可用式(5)表示。

En=Esum-Es

(5)

以信號(hào)能量與總體記錄能量的比值作為微地震信號(hào)識(shí)別的標(biāo)準(zhǔn)(含信比)，可用式(6)表示。根據(jù)預(yù)設(shè)的含信比門(mén)檻值，通過(guò)滑動(dòng)時(shí)窗掃描進(jìn)行微地震有效信號(hào)識(shí)別。

(6)

實(shí)際微地震記錄中，有效信號(hào)在各道的信噪比往往存在差異，當(dāng)這種差異較大時(shí)如果直接用公式(3)計(jì)算信號(hào)的能量，受低信噪比記錄道影響，其結(jié)果不能準(zhǔn)確反映出實(shí)際信號(hào)能量的大小。因此，筆者提出了一種自適應(yīng)加權(quán)計(jì)算信號(hào)能量的公式，其原理是對(duì)信噪比較高的記錄道，計(jì)算信號(hào)能量時(shí)給予較大的權(quán)值，反之給予較小的權(quán)值。根據(jù)這一原理，將式(3)改寫(xiě)如式(7)。

(7)

其中:λi,i+1為根據(jù)第i道和第i+1道計(jì)算的權(quán)系數(shù)。

首先計(jì)算出各道記錄在選定時(shí)窗內(nèi)的能量。

(8)

其中:M為選定時(shí)窗內(nèi)的樣點(diǎn)數(shù)。

則λi,i+1可通過(guò)式(9)得到。

(9)

其中:α為一常數(shù)，且α>0。在計(jì)算信號(hào)能量時(shí)α越大，能量高的記錄道貢獻(xiàn)越大。當(dāng)α趨于0時(shí)，式(9)計(jì)算結(jié)果近似于式(3)；當(dāng)α趨于無(wú)窮大時(shí)，式(9)計(jì)算結(jié)果近似于所有記錄道能量中的最大值，如果部分記錄道出現(xiàn)局部強(qiáng)干擾，α太大容易降低識(shí)別的準(zhǔn)確率。因此，α應(yīng)該根據(jù)實(shí)際的資料情況選擇，一般情況下，建議選擇α=2。

井中微地震監(jiān)測(cè)一般采用三分量接收，利用本文方法進(jìn)行微地震信號(hào)識(shí)別時(shí)，分別掃描所有檢波器三個(gè)分量的含信比，以三個(gè)分量平均含信比作為觸發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，也可以根據(jù)三個(gè)分量的信噪比情況選擇信噪比最高的分量進(jìn)行識(shí)別。需要注意的是選擇滑動(dòng)時(shí)窗的長(zhǎng)度。根據(jù)射線追蹤計(jì)算射孔段到各檢波器的旅行時(shí)，則滑動(dòng)時(shí)窗長(zhǎng)度應(yīng)該大于最大旅行時(shí)與最小旅行時(shí)之差，才能保證滑動(dòng)時(shí)窗內(nèi)各道均能接收到微地震信號(hào)。

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 模型試算

為驗(yàn)證本文方法有效性，設(shè)計(jì)圖1中所示觀測(cè)系統(tǒng)， 16個(gè)三分量檢波器井中接收，檢波器三個(gè)分量的指向如圖中所示，且各檢波器指向一致，檢波器垂向間距為20 m，接收井為垂直井，井口坐標(biāo)為(0，0，0)，第一個(gè)檢波器深度為3 000 m，震源坐標(biāo)為(-300，-300,-3000)，模擬子波為主頻50 Hz、長(zhǎng)度100 ms的Berlage子波(圖2)，采用均勻介質(zhì)模型(速度為3 000 m/s)，利用射線追蹤生成P波模擬記錄。

圖1 正演模擬觀測(cè)系統(tǒng)圖形Fig.1 Forward simulation of observation system graphics

圖2 50 Hz Berlage子波Fig.2 50 Hz Berlage wavelet

為了驗(yàn)證本文方法對(duì)噪聲的適應(yīng)性，從實(shí)際微地震監(jiān)測(cè)記錄中提取壓裂過(guò)程中產(chǎn)生的背景噪音加入到正演記錄中，得到不同信噪比的正演模擬記錄(圖3)，數(shù)據(jù)按照X、Y、Z三分量順序排列。

利用本文方法，滑動(dòng)時(shí)窗為100 ms，滑動(dòng)步長(zhǎng)為5個(gè)采樣點(diǎn)，分別計(jì)算出不同信噪比下的含信比曲線(圖4)。另外選取第10道的Z分量記錄，利用常規(guī)的單道長(zhǎng)短時(shí)窗能量比方法，計(jì)算出能量比曲線(圖5)，計(jì)算中長(zhǎng)時(shí)窗設(shè)為60 ms，短時(shí)窗設(shè)為30 ms。

從圖3中計(jì)算結(jié)果可以看到，對(duì)于不同信噪比的模擬數(shù)據(jù)，根據(jù)利用本文方法計(jì)算的含信比曲線，信號(hào)與噪音能夠很好地區(qū)分開(kāi)，識(shí)別門(mén)檻值設(shè)為0.48的情況下均能準(zhǔn)確識(shí)別出有效的微地震事件。根據(jù)利用常規(guī)單道STA/LTA方法計(jì)算的STA/LTA曲線，不同信噪比情況下，信號(hào)與噪音不能很好地區(qū)分，除了有效信號(hào)外，其他時(shí)刻出現(xiàn)很多局部峰值。當(dāng)信噪比低于-6 dB情況下，根據(jù)最大值已經(jīng)不能準(zhǔn)確識(shí)別出有效的微地震信號(hào)，而且對(duì)于不同信噪比記錄，門(mén)檻值設(shè)置太低容易出現(xiàn)誤識(shí)，門(mén)檻值設(shè)置太高容易出現(xiàn)漏拾，必須根據(jù)信噪比設(shè)置不同的門(mén)檻值才能正確識(shí)別出微地震信號(hào)，在實(shí)際應(yīng)用中較難實(shí)現(xiàn)。

圖3 實(shí)際監(jiān)測(cè)記錄的噪音和不同信噪比的正演模擬數(shù)據(jù)Fig.3 Noise and forward simulation data with different SNR recorded by actual monitoring(a)實(shí)際監(jiān)測(cè)記錄到的噪音；(b)信號(hào)；(c)S/N=6 dB；(d)S/N=0 dB；(e)S/N=-6 dB；(f)S/N= -12 dB

圖4 利用本文方法計(jì)算的監(jiān)測(cè)記錄含信比曲線Fig.4 The confidence ratio curve of monitoring records calculated by this method(a)SNR=6 dB；(b)SNR=0 dB；(c)SNR=-6 dB；(d)SNR=-12 dB

圖5 利用STA/LTA方法計(jì)算的STA/LTA曲線Fig.5 STA/LTA curve calculated by STA/LTA method(a)SNR=6 dB；(b)SNR=0 dB；(c)SNR=-6 dB；(d)SNR=-12 dB

圖6 利用本文方法識(shí)別出的原始微地震事件Fig.6 The original microseismic events identified by this method

2.2 實(shí)際資料應(yīng)用

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文方法的識(shí)別效果，分別利用本文方法(門(mén)檻值0.4)和常規(guī)的單道STA/LTA方法(門(mén)檻值4)對(duì)新疆某油田的一口井中微地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了自動(dòng)識(shí)別。監(jiān)測(cè)井為一直井，壓裂井為一水平井，采用多段壓裂，我們處理的是其中某段的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，壓裂段深度3 200 m，距監(jiān)測(cè)井口水平距離320 m，采用10級(jí)三分量檢波器接收，檢波器間距10 m。根據(jù)原始微地震事件的信噪比，大致將有效微地震事件分為3類(lèi)。識(shí)別結(jié)果如表1所示，將識(shí)別的疑似微地震事件中的線性噪音、異常值以及通過(guò)后續(xù)去噪處理仍無(wú)法看到信號(hào)的事件剔除掉，得到識(shí)別結(jié)果的準(zhǔn)確率。結(jié)果證明本方法的準(zhǔn)確率明顯高于常規(guī)方法，可用于實(shí)際微地震監(jiān)測(cè)的有效信號(hào)自動(dòng)識(shí)別。

以其中一個(gè)較低信噪比事件為例(圖6)，利用常規(guī)STA/LTA方法計(jì)算出的STA/LTA曲線如圖7(a)所示，根據(jù)預(yù)設(shè)的門(mén)檻值(紅線)無(wú)法準(zhǔn)確識(shí)別出事件發(fā)生的時(shí)間。圖7(b)為利用本文方法計(jì)算的含信比曲線，根據(jù)預(yù)設(shè)的門(mén)檻值(紅線)可準(zhǔn)確識(shí)別出事件發(fā)生的時(shí)間。從原始記錄上有效微地震信號(hào)表現(xiàn)不明顯，為了驗(yàn)證識(shí)別結(jié)果，對(duì)原始記錄進(jìn)行帶通濾波和Song等[11]提出的自適應(yīng)濾波等處理后可清晰看到微地震信號(hào)(圖8)。

表1 實(shí)際微地震記錄識(shí)別結(jié)果對(duì)比

圖7 本文方法與常規(guī)方法對(duì)比Fig.7 Comparison of the present method with the conventional method(a)第9道計(jì)算的STA/LTA曲線；(b)本文方法計(jì)算的含信比

圖8 識(shí)別的微地震事件經(jīng)過(guò)去噪后的結(jié)果Fig.8 The results of denoising of micro-seismic events

3 結(jié)束語(yǔ)

提出了一種基于多道信噪能量統(tǒng)計(jì)的微地震有效信號(hào)自動(dòng)識(shí)別方法，與目前常用的單道STA/LTA方法相比，能夠充分利用信號(hào)在相鄰道間的相似性和多道統(tǒng)計(jì)信息，參數(shù)設(shè)置簡(jiǎn)單，識(shí)別準(zhǔn)確率明顯高于常規(guī)方法。與已有的多道識(shí)別方法相比，本方法不需要選取模型道，根據(jù)信號(hào)在不同檢波器的信噪比自適應(yīng)加權(quán)計(jì)算有效信號(hào)能量，具有更強(qiáng)的適用性。通過(guò)加入實(shí)際監(jiān)測(cè)噪音的模擬數(shù)據(jù)和實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理，證明了本方法適用于低信噪比事件，具有較高的識(shí)別準(zhǔn)確率。