利用偏振约束的能量比微地震自动识别方法

最大的一种相关噪声， 难以去除而且容易对微地震 有效信号识别产生影响。其特点有： 强度高， 振幅随 、 Ｓ波频谱重 传播衰减很小； 频谱宽， 与有效信号 Ｐ 叠； 视速度低。 在微地震记录中会出现两种井筒波， 分别为上 行井筒波与下行井筒波。图 ３ ａ 是截取的出现上行 井筒波的一段信号， 第 １级上出现于第 ６ ０ ０个采样 ５ ０采样点附近。这种 点附近， 最后一级上出现于 ３ 上行井筒波是由于套管末端受到强烈波阻抗变化引 起泥浆柱扰动而形成的。图 ３ ｂ显示的是下行井筒 波， 出现范围在 ３ ４ ０～ ６ ２ ０采样点。它可能是有扫过 井口的瑞雷波引起的井中泥浆柱顶部垂直运动而形 成的。
３期
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ａ —未经任何处理的背景噪声； ｂ —去除低频扰动的背景噪声； １～ １ ２道为 ｚ 分量， １ ３～ ２ ４道为 ｘ 分量， ２ ５～ ３ ６道为 ｙ 分量
图１ 背景噪声
微地震资料中仍包含大量高频相关噪声， 与随机噪 声存在很大的区别， 而且 ｚ 分量噪声能量要大于水 平ｘ 、 ｙ 分量能量， 这使得基于噪声随机性假设的若 干自动识别方法可能会失去效果。 １ ． ２ 强能量扰动 从监测资料中会经常出现强烈的扰动信号， 频 率较高， 一般仅仅出现在某一道上。这种噪声的产 ａ 中第 ３ 、 第１ ２级 生原因目前还未完全弄清。图 ２ 检波器分别在 ３ ５ ０ 、 ８ ０ ０采样点附近出现这种噪声。 将图 ２ ａ 中３ ０ ０～ ４ ０ ０采样点之间记录的局部放大如 图２ ｂ 所示。 １ ． ３ 井筒波 井筒波又被称为管波， 是井间地震观测中影响
。微地震记录中
Ｐ波初至的快速准确拾取对微地震事件的识别、 定 位、 震源机理的分析具有很大意义， 尤其在分析大量 数据或处理实时监测数据时。人工识别并拾取微地 震事件是非常费时费力的一项工作。因而研究一种 有效的自动拾取初至的方法来对微地震事件进行准 确拾取是非常必要的。 初至震相的识别是建立在识别信号和噪声差异 基础之上的， 如振幅、 频率、 偏振、 功率谱以及统计特 性等。如果考虑到利用多道数据， 则还可以考虑相 邻道之间地震信号的相关性与走时关系等。能量比 法依据在初至前后地震信号能量增强的特点， 算法 简便， 在地震自动识别中最为常用。但其在信噪比 较低的情况下容易出现误拾、 漏拾的情况。偏振法 利用信号为线性偏振而噪声偏振度低的特点来判断 是否有有效信号出现。 Ｈ ｉ ｎ ｉ ｃ ｈ算法（ 线性差异度算 法） 是基于信号和噪声的非高斯和非线性差异的一 种统计算法。偏振法与 Ｈ ｉ ｎ ｉ ｃ ｈ算法在背景噪声为 随机噪声的情况下能够拾取较低信噪比有效信号，
ａ —强能量扰动的微地震监测记录， １～ １ ２道为 ｚ 分量， １ ３～ ２ ４道为 ｘ 分量， ２ ５～ ３ ６为 ｙ 分量； ｂ —水平分量局部放大后， １～ １ ２道为 ｘ 分量， １ ３ ～ ２ ４道为 ｙ 分量
图２ 强能量扰动
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物 探 与 化 探
３ ７卷
ａ —上行井筒波信号； ｂ —下行井筒波； １～ １ ２道为 ｚ 分量， １ ３～ ２ ４道为 ｘ 分量， ２ ５～ ３ ６道为 ｙ 分量
２ 自动识别方法
２ ． １ 长短时窗能量比法 长短时窗比（ ｔ ／ ｔ ） 算法是一种识别微地震有效 ｓ ｌ 事件的快速简便的方法， 其效果优于通常所用的通 过计算固定时窗比值识别初至的算法。该方法主要 通过计算短时窗内观测数据的平均能量值与长时窗 内的平均能量值之比来确定是否有效的事件触发。 其基本思路是确定一个不断滑动的时窗， 在该窗口 内划分长短时窗， 并利用式（ １ ） 、 式（ ２ ） 求两个时窗 的平均能量
ｍ ２ ｔ （ ｔ ） ＝∑ ｕ （ ｔ －ｉ ） ／ ｍ ， Ｂ ｉ ＝ １ ｎ ２ ｔ （ ｔ ） ＝∑ ｕ （ ｔ ＋ｊ ） ／ ｎ 。 Ａ ｊ ＝ １
（ ３ ） （ ４ ）
其中： ｔ 时刻之前时窗 ｍ 个采样点的平均能 Ｂ 计算 ｔ 量， ｔ 时刻之后一个时窗 ｎ个采样点的平均 Ａ 计算 ｔ ３ ） 、 式（ ４ ） 中的对振幅 能量。对于多分量数据， 式（ 的平方应改为计算多个分量振幅的平方和。根据式 （ ５ ） 计算两个时窗内的平均能量构造能量比响应 Ｒ （ ｔ ） ＝ｔ （ ｔ ） ／ ｔ （ ｔ ） ， Ａ Ｂ 信号。 （ ５ ） 当能量比 Ｒ超过设定阈值时， 判断为接收到微地震
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２ ． ２ 偏振分析 井中微地震监测常采用三分量检波器， 因而需 要考虑微地震记录的偏振特性。有效信号与随机噪 声在偏振度上有很大差异： 有效信号的质点运动轨 迹接近于线性偏振， 因此其偏振度要高； 随机噪声的 运动轨迹没有一定的规律， 体现为低偏振度。 由地震波理论可知， 同一类型的波至引起空间 质点的运动， 其轨迹近似于椭球体。根据极化的概 念， 这个椭球的长轴就是质点空间运动的极化方向。 从数学上可以把该轨迹上的样点看作是一批空间随 机点的集合， 这样就可以使用协方差矩阵， 用统计的 方法由这些空间点求出极化方向， 并且可以用一个 参量指示极化的质量。要得到三分量数据的协方差 矩阵需要首先计算三个分量 Ｘ ， Ｙ ， Ｚ ｉ ｉ ｉ在某一时窗 内的均值 Ｍｘ ＝ １ １ １ Ｘ， Ｍ ＝ Ｙ， Ｍ ＝ Ｚ， （ ６ ） Ｎ∑ ｉ ｙ Ｎ∑ ｉ ｚ Ｎ∑ ｉ
利用偏振约束的能量比微地震自动识别方法
吕世超１， 宋维琪２， 刘彦明３， 郭晓中２， 张华锋１
（ １中国石油化工股份有限公司 胜利油田分公司地质科学研究院， 山东 东营 ２ ５ ７ ０ １ ５ ； ２中国石油 大学 地球科学与技术学院， 山东 青岛 ２ ６ ６ ５ ５ ５ ； ３中国石油化工股份有限公司 中原油田物探研究 院， 河南 濮阳 ４ ５ ７ ０ ０ １ ）
ｍ ２ ｔ ｍ ， Ｌ ＝∑ ｕ ｉ／ ｉ ＝ １ ｎ ２ ｔ ｎ 。 Ｓ ＝∑ ｕ ｊ／ １ ｊ ＝
（ １ ） （ ２ ）
ｕ ｔ ｔ ｊ代表地震记录， Ｓ 为短时窗能量均值， Ｌ 为长时窗 能量均值。长短时窗的组合方式有多种， 笔者选择 前后 时 窗 的 设 计 方 法， 即 长 时 窗、 短时窗改为式 （ ３ ） 、 （ ４ ） 的形式，
２ Ｂ ∑Ａ Ｃ ∑Ａ ∑Ａ １ ２ Ｍｃ ＝ Ｂ Ａ ∑Ｂ Ｃ， ∑Ｂ Ｎ ∑ ２ Ａ ∑Ｃ Ｂ ∑Ｃ ∑Ｃ
附近（ 图中所选区域内） 。 ｂ 中６ ０ １～ １５ ０ ０采样点范围内的数据， 取图 ４ 分别将能量比法、 偏振分析法与能量比—偏振结合 方法应用这段数据， 结果如图 ５所示。图 ５ ａ 为长短 ｂ为这段数据的偏振 时窗能量比法计算结果； 图５ 度； 图５ ｃ 是偏振约束的长短时窗能量比法计算结 果， 从中可以看出， 两种方法的结合能够提高识别方 法对信号的灵敏度， 噪声部分的扰动也因受到两种 方法的影响而降低。在采样点 ５ ０ ０附近， 即图 ４第 １ １ ０ ０采样点附近有效信号出现部分， 识别方法的响 应值大于动态变化的门限值， 可以自动井筒波
由于各种因素影响， 在微地震监测资料中会出 现大量的强能量扰动与井筒波， 这些噪声与微地震 有效事件的信号频率接近， 而且能量强， 很容易引起 错误触发。在这些情况下， 单纯利用某一道无法对 噪声进行排除， 这时要利用微地震有效事件的走时 特点。图 ２所示微地震资料在第 ２道第 ４ ０个采样 点附近出现强能量的扰动， 它的波形与有效信号 Ｐ 、 Ｓ波类似， 但仅在一道出现而不存在同相轴。图 ３ ａ 与图 ３ ｂ 中的井筒波也存在同相轴， 而且信号频率与 有效信号基本相同， 但其视速度明显小于有效微地 震信号的视速度。 地震记录中的强烈扰动是比较容易排除的， 从 放大的信号中可以看出这种强烈扰动通常只出现在 某一道上， 因此， 通过判断相邻道是否同时被判断存 在有初至信号出现就能够将这种噪声排除。井筒波 与微地震有效事件频率接近， 并且在所有检波器的 记录上都有显示， 但通过二者的信号特点进行分析， 可以发现这两种信号存在的区别。 （ １ ） 井筒波的速度约为 １６ ０ ０ｍ／ ｓ ， 远远小于微 波的视速度； 地震事件 Ｐ波与 Ｓ （ ２ ） 由于井筒波延井孔的方向传播， 因而主要 分量上， ｘ 、 ｙ 分量能量很低。 能量分布在 ｚ 根据微地震有效事件信号与井筒波的区别， 为 区别井筒波与有效微地震信号， 采用的方法是比较 相邻道的“ 初至” 时间， 在相邻道上的初至时差大于 一定值（ 即视速度在一定范围之外） 的情况下可认 定检测出的信号为筒波干扰。同时在求取能量比时 可只利用 ｘ 、 ｙ 两个水平分量的信息， 这样在一定程 度上能够避免井筒波的影响， 也能够降低由于垂直 分量上信噪比低而引起的错误触发概率。
第 ３ ７卷第 ３期 ２ ０ １ ３年 ６月
物 探 与 化 探
Ｇ Ｅ Ｏ Ｐ Ｈ Ｙ Ｓ Ｉ Ｃ Ａ Ｌ＆Ｇ Ｅ Ｏ Ｃ Ｈ Ｅ Ｍ Ｉ Ｃ Ａ ＬＥ Ｘ Ｐ Ｌ Ｏ Ｒ Ａ Ｔ Ｉ Ｏ Ｎ
Ｖ ｏ ｌ ． ３ ７ ， Ｎ ｏ ． ３ Ｊ ｕ ｎ ． ， ２ ０ １ ３
Ｄ Ｏ Ｉ ： １ ０ ． １ １ ７ ２ ０ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ０－ ８ ９ １ ８ ． ２ ０ １ ３ ． ３ ． ２ ０
摘 要：微地震监测是分析水力压裂注水前缘或对油藏进行动态监测的一种有效方法。由于持续监测数据量大， 而 且有效微地震事件的出现时间无法判定， 人工拾取需要耗费大量人力与时间， 需要利用计算机对有效事件进行自 动拾取。笔者分析了井中微地震监测背景噪声以及某些相关噪声特点， 以长短时窗能量比法为基础， 结合偏振分 析， 设计利用偏振—能量比综合的方法来识别微地震有效事件， 经实际资料验证该方法具有一定的可靠性。根据 实际有效信号与噪声在多级检波器之间的出现规律利用多级间时差对识别结果进行约束来排除某些特殊噪声的 影响。将这种方法应用于整套水力压裂微地震监测资料中， 能够快速稳定的识别出大量微地震有效事件， 有比较 好的应用效果。 关键词： 微地震监测； 有效事件； 自动识别； 能量比； 偏振分析 中图分类号：Ｐ ６ ３ １ ． ４ 文献标识码：Ａ 文章编号： １ ０ ０ ０－ ８ ９ １ ８ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ３－ ０ ４ ８ ８－ ０ ６