關(guān)鍵詞：地面微地震監(jiān)測，微地震信號消噪，同步擠壓S變換，τ?p變換，譜分解

1 研究背景

非常規(guī)油氣藏的勘探和開發(fā)是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一。中國的非常規(guī)油氣儲量豐富，開發(fā)潛力巨大。但是，由于非常規(guī)油氣藏滲透性較差，需要利用水平鉆井和分段水力壓裂等技術(shù)手段產(chǎn)生人工裂縫，以增加油氣運(yùn)移的通道和增強(qiáng)目標(biāo)地層的油氣導(dǎo)流能力，從而實(shí)現(xiàn)高效開發(fā)。水力壓裂導(dǎo)致儲層發(fā)生張裂或錯動，能激發(fā)彈性波，因能量小稱為微地震。

微地震監(jiān)測技術(shù)可以獲得壓裂微地震震源的發(fā)震時間和震源位置信息，是推斷水力壓裂時裂縫網(wǎng)絡(luò)發(fā)育情況進(jìn)而優(yōu)化壓裂工程的重要地球物理方法之一[1?6]。該技術(shù)主要有井中監(jiān)測和地面監(jiān)測兩種方式。采用井中監(jiān)測方式時，受到地表噪聲的影響較小，微地震記錄信噪比較高，裂縫生長產(chǎn)生的微地震事件容易識別[7?8]，但缺陷是施工成本較高，成像范圍窄，且在壓裂井附近必須有合適的監(jiān)測井。地面監(jiān)測方式施工方便、成本低、成像范圍廣，但檢波器與裂縫震源的距離遠(yuǎn)，接收到的微地震信號能量弱，信噪比非常低，常會淹沒在機(jī)器、背景等噪聲中無法識別。因此，從低信噪比的資料中準(zhǔn)確識別和獲取有效信號，是地面微地震監(jiān)測必須首先解決的難題。

研究表明，進(jìn)行水力壓裂時，地面監(jiān)測所接收到的微地震信號中既包含隨機(jī)噪聲，又包含大量相干噪聲。根據(jù)其產(chǎn)生原因不同，可以分為：突發(fā)性的強(qiáng)能量脈沖噪聲（主要由于壓裂施工機(jī)器變換功率時所形成的噪音）、具有周期性特征的工業(yè)噪聲（在水力壓裂過程中壓裂設(shè)備所產(chǎn)生的噪聲，該噪聲周期相對穩(wěn)定且頻率較高）、射孔和壓裂施工噪聲（在射孔作業(yè)及壓裂施工時，由于機(jī)器設(shè)備劇烈振動所產(chǎn)生的噪聲）、近地表散射造成的線性噪聲（主要由于地表車輛經(jīng)過所產(chǎn)生的噪聲），以及環(huán)境背景噪聲（由地面風(fēng)吹草動所產(chǎn)生的噪聲，具有隨機(jī)性）[9]。其中工業(yè)噪聲、施工噪聲和線性噪聲都屬于相干噪聲，這類噪聲的能量強(qiáng)，通常呈現(xiàn)明顯的周期性和時空連續(xù)性。由于相干噪聲與壓裂產(chǎn)生的有效微地震信號在波數(shù)、頻帶等屬性上存在重疊，因此與隨機(jī)噪聲相比，相干噪聲更難消除。圖1為實(shí)際微地震地面監(jiān)測資料中噪聲的示例。

對微地震監(jiān)測資料進(jìn)行消噪可以采用傳統(tǒng)的頻率域?yàn)V波，但是當(dāng)微地震信號與噪聲的頻帶范圍有重疊時，頻率域?yàn)V波會在消除噪聲的同時也壓制了微地震信號的有效能量。經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解及其改進(jìn)類方法也常被用于微地震消噪，如李偉等[10]將集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解與奇異值分解相結(jié)合對礦山微地震信號進(jìn)行消噪，胡瑞卿等[11]將自適應(yīng)噪聲完備集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解與主成分分析相結(jié)合以消除微地震資料中的白噪聲。從應(yīng)用效果看，這類方法對于隨機(jī)噪聲的消除較好，但由于存在模態(tài)混疊現(xiàn)象，對于相干噪聲的壓制并不理想。變換域消噪也是常用方法，宋維琪等[12]對有效微地震事件進(jìn)行時差校正并采用鄰近事件進(jìn)行約束，在τ?p域消除線性相干噪聲；Gaci[13]利用小波變換對微地震信號消噪并提取初至；MostafaMousavi等[14]使用同步擠壓小波變換進(jìn)行消噪并提取發(fā)震時刻。但是，如果有效微地震信號的能量較弱，則很難在變換域中確定合理的閾值和消噪范圍。近年來，壓縮感知[15]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[16]等技術(shù)也用于微地震消噪。

現(xiàn)有的地面微地震資料消噪方法對于隨機(jī)噪聲的壓制效果較好。但當(dāng)相干噪聲的頻帶與有效微地震信號的頻帶有重疊，且出現(xiàn)時間沒有規(guī)律時，效果并不理想。因此，本文提出一種聯(lián)合使用同步擠壓S變換（SynchrosqueezingS?transform，SSST）、譜分解和τ?p變換的新消噪方法，可以同時消除地面微地震監(jiān)測數(shù)據(jù)中的隨機(jī)噪聲和強(qiáng)相干噪聲。

2 原理

本文方法需要聯(lián)合使用SSST、譜分解和τ ?p變換，其中譜分解和τ ?p變換都是常用的地球物理資料處理方法。

SSST需要先計(jì)算出信號的S變換（S?trans?form，ST）時頻譜，再尋找時頻能量的“重心”位置，最后將重心周圍的能量重新集中到該重心位置，完成對能量的擠壓。

與傳統(tǒng)時頻變換方法相比，通過對信號時頻能量的擠壓，SSST可以獲得高分辨率的時頻能量譜，且顯著增強(qiáng)了有效信號的能量，對于識別弱微地震信號非常有益[18]。從實(shí)際一條測線的地面微地震監(jiān)測記錄（圖2a）中選取一道展示SSST的效果。該測線布有50個檢波器，微地震信號出現(xiàn)在綠框內(nèi)，黃色箭頭所指為有效微地震信號；紅框內(nèi)為強(qiáng)相干噪聲，藍(lán)框內(nèi)為隨機(jī)噪聲。圖2b為該記錄的第10道，黃色箭頭所示為微地震信號，可見明顯的強(qiáng)周期性相干噪聲、散射噪聲和大量隨機(jī)噪聲。圖2c、圖2d分別為該道數(shù)據(jù)的ST和SSST時頻譜，黃色箭頭所指為有效微地震信號，紅色箭頭處為強(qiáng)周期性相干噪聲，黑色箭頭處為部分強(qiáng)隨機(jī)噪聲。對于大部分隨機(jī)噪聲與頻帶相對固定的工業(yè)噪聲，其時頻能量經(jīng)過擠壓后會與有效微地震信號的時頻能量分開，利用時頻域?yàn)V波能將這些噪聲予以消減。但是，在時頻譜中仍殘留大量與有效微地震信號頻帶有重疊的相干噪聲，在單道SSST譜上無法準(zhǔn)確地識別和分離出有效微地震信號。

由于各測線上的檢波器所接收到的同一震源的微地震信號之間存在明顯相干性，因此，對所有檢波器接收到的微地震監(jiān)測信號進(jìn)行時差校正后，有效微地震信號的同相軸會校平，而相干噪聲的同相軸不會被校平。據(jù)此，提出一種聯(lián)合使用SSST、譜分解和τ?p變換的新消噪方法，具體步驟如下。

（1）建立地下速度模型，計(jì)算檢波器時差，校平微地震信號同相軸。射孔作業(yè)產(chǎn)生的微地震信號（簡稱射孔信號）能量強(qiáng)，因此地面監(jiān)測數(shù)據(jù)中射孔信號的信噪比很高。因此可以準(zhǔn)確地拾取射孔信號到達(dá)每條測線的旅行時，并計(jì)算出每條測線上各個檢波器的旅行時差。利用該時差對微地震資料進(jìn)行時差校正，將微地震信號的同相軸校平。

（2）利用SSST對時差校正后的數(shù)據(jù)進(jìn)行譜分解，提取微地震信號主頻帶對應(yīng)的單頻切片。考慮到微地震信號的能量分布在有限頻帶內(nèi)，譜分解可以獲得監(jiān)測資料不同頻率的能量切片，微地震信號主頻帶附近的單頻切片的信噪比會高于其他頻率切片。為了得到高信噪比、高時頻分辨率的單頻切片，使用SSST進(jìn)行譜分解。在SSST的時頻譜上，隨機(jī)噪聲的能量會被壓縮在很小的范圍內(nèi)。因此，基于SSST的譜分解單頻切片上，隨機(jī)噪聲能量很少，切片的信噪比更高。

對每道數(shù)據(jù)進(jìn)行SSST后，將每一道數(shù)據(jù)SSST時頻譜中特定頻率的信號提取出來，并按順序排列，便可獲得單頻能量切片。由于時差校正后的隨機(jī)噪聲能量分散，且各單頻切片所包含的隨機(jī)噪聲能量出現(xiàn)的時間位置沒有規(guī)律性，因此不會出現(xiàn)水平同相軸。相比之下，時差校正后的有效微地震信號在各道數(shù)據(jù)的SSST時頻譜上的時間和頻率位置是相同的，所以在單頻切片上仍然可以識別出信號的水平同相軸。但是，單頻切片上依然會殘留部分噪聲。

（3）對單頻切片做τ?p變換，識別微地震信號。有效微地震信號在單頻切片上的同相軸已經(jīng)被校平，斜率基本在零附近，而相干噪聲的能量未被校平，其能量的斜率不為零。根據(jù)τ?p變換的結(jié)果可以識別出有效微地震信號，并確定其時間位置。

（4）根據(jù)有效微地震信號的時間位置進(jìn)行時頻域消噪。在每道數(shù)據(jù)的時頻譜上消除有效微地震信號所在位置之外的噪聲能量，再對消噪后的時頻譜做反變換，獲得消噪后的微地震監(jiān)測信號。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

生成仿真數(shù)據(jù)時，參考實(shí)際工區(qū)情況設(shè)計(jì)了地面星型觀測系統(tǒng)并建立了一維層狀速度模型。觀測系統(tǒng)設(shè)有8條測線，共449個檢波器，檢波器間距為50m。地下介質(zhì)分為4層，從淺到深速度分別為3000、3500、4000和4500m/s，厚度分別為700、1200、2000和2500m。正演時采用主頻為70Hz的Ricker子波作為爆炸源，位于星型觀測系統(tǒng)中心的正下方2.0km處。圖3a為生成的無噪聲仿真微地震記錄。在無噪聲仿真數(shù)據(jù)中分別加入不同能量的微地震監(jiān)測記錄中提取的真實(shí)噪聲（圖3b），生成信噪比（SNR）分別為?3、?10dB的含噪仿真記錄（圖3c、圖3d）。

選取時差校正后1.0s長度的數(shù)據(jù)分析不同消噪方法對低信噪比數(shù)據(jù)的相干噪聲處理效果。對比方法包括：頻率域帶通濾波法（方法Ⅰ）、經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法（方法Ⅱ）、基于ST的譜分解聯(lián)合τ?p變換法（方法Ⅲ）。

首先分析SNR=?3dB數(shù)據(jù)的處理結(jié)果。圖3c的第30、第60、第160、第400道時差校正后數(shù)據(jù)及其ST和SSST時頻譜如圖4所示，紅色虛線框內(nèi)的黃色箭頭所指為有效微地震信號，紅色箭頭所指為相干噪聲能量。可以看到，在每一道數(shù)據(jù)中都存在頻譜與有效信號有重疊的相干噪聲以及大量隨機(jī)噪聲，其中第60道數(shù)據(jù)中的相干噪聲表現(xiàn)出明顯的周期性，其他3道數(shù)據(jù)中的相關(guān)噪聲以線性噪聲為主。當(dāng)信噪比相對較高時，在時間域能觀察到有效微地震信號的同相軸，在ST和SSST的時頻譜上也能明顯觀察到有效微地震信號的時頻能量團(tuán)。有效微地震信號在SSST時頻譜上比ST時頻譜的能量團(tuán)更聚焦、時頻分辨率更高。因此，由SSST的時頻譜上截取的單頻率切片比ST殘留的噪聲能量更小，有效微地震信號的能量相對更強(qiáng)。圖5為基于ST和SSST的譜分解后所獲得的70Hz單頻切片及相應(yīng)的τ?p變換結(jié)果和τ?p變換在p=0處的信號。比較兩組單頻切片，由于切片頻率是有效信號主頻率，因此切片上的有效信號能量很強(qiáng)，兩種變換的切片上都清晰顯示有效微地震信號的同相軸。但是，ST切片上殘留的噪聲能量更多。這是由于相干噪聲的一部分頻帶與有效信號頻帶重疊，使得提取單頻切片時不可避免地將噪聲在重疊頻帶上的能量也保留了下來（圖5a）。而SSST將噪聲的能量進(jìn)行了壓縮，使相干噪聲與有效信號重疊頻帶的范圍變小，從SSST時頻譜上提取單頻切片時殘留下來的相干噪聲能量更少（圖5b）。

微地震信號在時差校正后同相軸已校平，而相干噪聲的同相軸沒有被校平。對單頻切片做τ?p變換（圖5中）。斜率p=0且能量集中處對應(yīng)的時間位置就是有效微地震信號（圖5右）。由于ST單頻切片中殘留的噪聲能量更多，同樣是在p=0處，SSST結(jié)果中的峰值能量相對更強(qiáng)、更明顯。

p=0處信號的峰值位置即為有效微地震信號的時間tp，將時頻譜上tp附近以外區(qū)域的時頻能量進(jìn)行壓制，再將時頻譜進(jìn)行反變換就獲得了消噪后的時域信號。圖6為本文方法與方法Ⅰ～方法Ⅲ消噪結(jié)果對比，其中帶通濾波頻帶范圍為10～90Hz。在ST和SSST的單頻切片上都可以準(zhǔn)確找到有效微地震信號位置，因此本文方法和方法Ⅲ均取得了十分理想消噪效果，相對而言，本文方法在300道附近的消噪結(jié)果稍好一些，對強(qiáng)周期噪聲有明顯的壓制作用（圖6a、圖6b）。方法Ⅰ的消噪結(jié)果（圖6c）中大量噪聲未被去除。方法Ⅱ的消噪結(jié)果（圖6d）雖然比帶通濾波（圖6c）更好，但還是比時頻域消噪結(jié)果（圖6a、圖6b）殘留了更多強(qiáng)周期噪聲。

圖7為?10dB仿真數(shù)據(jù)時差校正后的70Hz的ST和SSST單頻切片，所含的噪聲比?3dB數(shù)據(jù)時更強(qiáng)。由于ST單頻切片（圖7a左）上殘留的相干噪聲能量很強(qiáng)，有效微地震信號的同相軸難以看見（圖7a左），其τ?p變換結(jié)果中也無法確定有效能量對應(yīng)的峰值位置（圖7a中、圖7a右），也就無法進(jìn)行后續(xù)的時頻域消噪。SSST單頻切片中所殘留的噪聲能量要弱，因此，雖然單頻切片上的同相軸沒有信噪比為?3dB時清晰，但是在做完τ?p變換后，在p=0處依舊能夠明顯找到有效信號的能量峰值（圖7b中、圖7b右）。

圖8為?10dB仿真數(shù)據(jù)本文方法與方法Ⅰ、方法Ⅱ的消噪結(jié)果對比，本文方法依然能夠明顯地還原出有效信號的同相軸，而帶通濾波和經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的消噪結(jié)果上無法觀察到有效信號。

由仿真數(shù)據(jù)的處理結(jié)果可知，當(dāng)數(shù)據(jù)的信噪比較高時，基于ST和SSST的譜分解，都可以準(zhǔn)確識別出微地震信號，從而為時頻域消噪提供準(zhǔn)確的有效信號位置信息，并取得良好消噪效果。當(dāng)信噪比降低到一定程度時，基于ST的譜分解已經(jīng)不能識別出微地震信號，因此無法進(jìn)行下一步的時頻域消噪；而本文方法仍然可以識別出微地震信號，進(jìn)而獲得良好的時頻域消噪結(jié)果；而頻率域帶通濾波和經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解消噪都很難獲得高質(zhì)量的有效微地震信號。

4 實(shí)際數(shù)據(jù)應(yīng)用

壓裂工區(qū)位于中國四川省。進(jìn)行地面微地震監(jiān)測時，施工單位以井口為中心布設(shè)了8條測線，檢波點(diǎn)在地面呈星型分布。道間距為50m，總道數(shù)449。采用分段壓裂工藝，共十段，以第二段壓裂數(shù)據(jù)為例。原始資料的信噪比很低，無法直接從數(shù)據(jù)識別出微地震信號，需要先對信號進(jìn)行帶通濾波。帶通濾波后，在數(shù)據(jù)中尋找到射孔信號，并利用射孔信號的旅行時反演地下速度模型。根據(jù)該速度模型計(jì)算出各檢波器的時差校正值。利用獲取的準(zhǔn)確時差校正值，對微地震監(jiān)測資料進(jìn)行時差校正。在實(shí)際操作時，先設(shè)置合適的時間窗口，讓其在資料的時間軸上截取數(shù)據(jù)，本文選取的窗口大小為1s。

與處理仿真資料的流程相同，先分別用ST和SSST對實(shí)際資料做譜分解，獲得單頻切片，再對單頻切片做τ?p變換，并在p=0處尋找有效微地震信號對應(yīng)的峰值。由于不確定實(shí)際數(shù)據(jù)中有效微地震信號的準(zhǔn)確主頻帶信息，因此在做譜分解時，需要從低頻到高頻提取多個頻率的單頻切片，逐一判斷該頻率切片上是否存在有效信號。只有判斷存在有效信號時，才會進(jìn)行時頻域消噪處理。圖9為35Hz單頻切片。對比圖9中的ST切片和SSST切片可以看出，由于實(shí)際資料的信噪比非常低，此時利用ST切片無法識別出有效微地震信號。SSST的切片上雖然也殘留很多噪聲，但是經(jīng)過τ ?p變換后在p=0處存在有效微地震信號的能量峰值，從而為時頻域消噪提供了依據(jù)。圖10為實(shí)際數(shù)據(jù)本文方法與方法Ⅰ、方法Ⅱ消噪結(jié)果對比，可以看到，對于低信噪比實(shí)際資料，本文方法的消噪效果明顯，方法Ⅱ消噪后只能看到非常模糊的同相軸，而方法Ⅰ消噪后基本看不到同相軸。

5 結(jié)論

地面微地震監(jiān)測資料信噪比低，進(jìn)行帶通濾波后仍然存在能量較強(qiáng)的相干噪聲以及隨機(jī)噪聲，致使后續(xù)的微地震定位結(jié)果出現(xiàn)許多虛假的微地震震源，嚴(yán)重影響微地震定位結(jié)果的準(zhǔn)確性與可信度。本文仿真資料和實(shí)際資料的處理結(jié)果表明，當(dāng)?shù)孛嫖⒌卣鸨O(jiān)測資料的信噪比較高時，采用常規(guī)ST變換或SSST進(jìn)行譜分解，都可以在有效微地震信號的主頻切片上清楚地識別出有效信號的時間位置，并通過時頻域消噪方法得到高信噪比結(jié)果。隨著資料信噪比的降低，由于常規(guī)ST變換得到的譜分解單頻切片上殘留了過多的相干噪聲能量，不能從單頻切片的τ?p變換中分辨出有效信號。而采用SSST的譜分解可以獲得信噪比更高的單頻切片，后續(xù)τ?p變換結(jié)果中有效信號的峰值更易識別。本文方法能夠較好地壓制相干噪聲和隨機(jī)噪聲，增強(qiáng)微地震信號，提高資料的信噪比。與傳統(tǒng)消噪方法相比，在低信噪比時，本文方法的魯棒性更強(qiáng)。