一种微地震监测中的井中检波器水平分量定向方法

摘要

本发明公开了一种微地震监测中的井中检波器水平分量定向方法，包括：获取地震纵波初至波形；将分量记录与分量均值进行波形互相关，保留相关系数大于0.8的分量记录；采用前、后时窗滑动能量比识别直达纵波初至起跳时刻，在以初至起跳点为中心的2或3个周期时间内，读取逐个采样点对应的X、Y、Z坐标分量随时间变化的振幅值，绘制质点振动轨迹曲线三维图；搜寻局部极大值，得到空间曲线的包络面，包络面内径向最大值为实际纵波传播方向；在相对坐标系中，实际纵波传播方向在水平面的投影和地面震源点至井中检波器方向在水平面投影的夹角为井中检波器水平分量旋转角，地面震源点至井中检波器方向的水平分量与水平分量旋转角之和为三分量方位角。

说明书

技术领域

本发明涉及微地震监测领域，尤其涉及一种微地震井中监测检波器水平分量定向 技术，具体的讲是一种已知地面激发震源和井中检波器位置，在一定视窗内利用微地 震质点振动轨迹曲线包络径向最大值指示纵波的传播方向与地面震源点与检波器连 线方向夹角为检波器水平分量旋转角，确定随机出现检波器的两个水平分量方位的方 法。

背景技术

微地震监测通过观测、分析微小地震，确定释放能量的破裂事件空间位置。在井 中监测中，需要已知检波器水平分量具体方位，Z分量一般都是竖直向下的，由于检 波器都是通过电缆软连接，在下降到达目的层位置的过程中，多种原因会使各检波器 会出现不同程度的旋转，两个水平分量X、Y是随机变化的。

通常，利用压裂井储层段射孔弹或导爆索等激发地震波，确定检波器的水平分量 方位。但是，许多水力压裂施工采用投球射孔方式、喷沙射孔或裸眼井不射孔等，无 法利用井中已知激发源进行检波器水平分量定位，故此时需要在地面进行可控震源、 重锤或炸药辅助激发，确定井中各检波器水平分量的方位。

发明内容

本发明目的是在没有较好的井中激发源的情况下，提供一种基于地面激发源的微 地震监测的井中检波器水平分量定向方法。

为了达到上述目的，本发明实施例提供一种微地震监测中的井中检波器水平分量 定向方法，所述方法包括：地面激发点激发地震纵波，利用井中检波器获取起跳清晰 的地震纵波初至波形；将每个井中检波器分量记录与全部井中检波器分量均值进行波 形互相关，保留相关系数大于0.8的分量记录；根据保留的分量记录，采用前、后时 窗滑动能量比识别直达地震纵波初至起跳时刻，在以所述地震纵波初至起跳时刻为中 心的2或3个周期时间内，读取逐个采样点对应的X、Y、Z坐标分量随时间变化的 振幅值，根据X、Y、Z坐标分量随时间变化的振幅值，绘制质点振动轨迹曲线三维 图；在所述质点振动轨迹曲线三维图中，搜寻X、Y、Z坐标振动轨迹的局部极大值， 得到空间曲线的包络面，所述包络面内径向最大值为实际纵波传播方向；在相对坐标 系中，所述实际纵波传播方向在水平面的投影和地面震源点至井中检波器方向在水平 面投影的夹角为井中检波器水平分量旋转角，所述地面震源点至井中检波器方向的水 平分量与所述井中检波器水平分量旋转角之和为井中检波器的三分量方位角。

本发明实施例的微地震监测中的井中检波器水平分量定向方法，可以很好的确定 微地震井中监测的检波器水平分量，并且使用方便简洁，运算效率高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅 是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下， 还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的微地震监测中的井中检波器水平分量定向方法的方法流 程图；

图2为本发明实施例的微地震地面震源激发示意图；

图3为本发明具体实施例中的微地震地面三个震源的位置图；

图4为井中检波器三分量的质点振动轨迹曲线图；

图5为利用井中导爆索验证地面震源确定检波器三分量方位结果的正确性的示 意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。 基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的 所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明是微地震井中监测施工中，由于没有不能进行射孔作业或其它井中激发效 果不理想的情况下，进行地面激发确定井中检波器的三分量方位，采用微地震纵波初 至起跳一定时间内质点振动轨迹包络径向最大值指示纵波的传播方向与地面震源点 与检波器连线方向夹角为检波器水平分量旋转角，与已知地面震源与检波器连线方向 分解的水平分量方位和得到检波器的两个水平分量方位的方法。

图1为本发明实施例的微地震监测中的井中检波器水平分量定向方法的方法流 程图。如图1所示，本实施例的方法包括：

步骤S101，地面激发点激发地震纵波，利用井中检波器获取起跳清晰的地震纵 波初至波形；

步骤S102，将每个井中检波器Z分量记录与全部井中检波器Z分量均值进行波 形互相关，保留相关系数大于0.8的分量记录；

步骤S103，根据保留的分量记录，采用前、后时窗滑动能量比识别直达地震纵 波初至起跳时刻，在以地震纵波初至起跳时刻为中心的2或3个周期时间内，读取逐 个采样点对应的X、Y、Z坐标分量随时间变化的振幅值，根据X、Y、Z坐标分量随 时间变化的振幅值，绘制质点振动轨迹曲线三维图；

步骤S104，在质点振动轨迹曲线三维图中，搜寻X、Y、Z坐标振动轨迹的局部 极大值，得到空间曲线的包络面，包络面内径向最大值为实际纵波传播方向Preal；

步骤S105，在相对坐标系中，实际纵波传播方向Preal在水平面的投影和地面震 源点至井中检波器方向Ptheory在水平面投影的夹角为井中检波器水平分量旋转角 θ，Ptheory的水平分量与θ之和为井中检波器的三分量方位角

进一步的，该方法选择至少两个不同位置的地面激发点进行地面激发，求取平均 值作为最终的井中检波器的三分量方位角。

进一步的，该方法还包括：

在地面震源激发前，记录至少10分钟的背景噪声；

在地面震源激发时，利用仪器记录清晰的井中检波器串接收的振动信号；

计算地面震源点与井中检波器的直线距离，利用地震纵波初至波形计算视速度， 计算获得理论到时与实际旅行时并比较获得差值；

根据背景噪声及差值，确认该振动是来自地面激发位置，并非噪声干扰；

具体的，如果振动信号第一个周期能量是续至波其余能量的一倍以上，第一周期 能量越大越好，且续至波振幅呈减小趋势；振动信号初至起跳前后，振动信号与背景 噪声的信噪比应超过2，且半周期内波形单峰光滑，初至起跳处与起跳前近似垂直。

本发明实施例的微地震监测中的井中检波器水平分量定向方法，可以很好的确定 微地震井中监测的检波器水平分量，并且使用方便简洁，运算效率高。

利用井中三分量检波器接收到地面已知位置激发的地震波，即已知纵波的传播方 向(地面激发源至各检波器)，选择初至起跳清晰的纵波波形记录，进行Z分量记录 互相关运算，保留相关系数大于0.8的三分量波形记录；以初至起跳点为中心的2-3 个周期时间内，绘制质点振动轨迹曲线三维图；搜寻振动曲线的包络面内径向最大值 方向即为实际纵波传播方向Preal；实际纵波传播方向Preal在水平面的投影和地面震 源点至检波器方向Ptheory在水平面投影的夹角为检波器水平分量旋转角θ，Ptheory 的水平分量与θ之和是井中检波器的三分量方位角。

本发明具体步骤包括：

1)将电缆连接的三分量检波器下到监测井的预定位置，假设距离地面为L，如 图2所示；

2)在地面距离监测井(直井)井口约L/2～L处激发地震纵波，激发能量以井中 各检波器清晰读取初至波形为要求；

3)将各检波器Z分量记录与所有检波器Z分量均值记录进行波形互相关计算， 保留相关系数大于0.8的三分量波形记录；

4)采用前、后时窗滑动能量比识别直达波纵波初至起跳时刻，在以初至起跳点 为中心的2-3个周期时间内，逐个采样点读取X、Y、Z分量随时间变化的振幅值， 根据X、Y、Z坐标分量随时间变化的振幅值，绘制质点振动轨迹曲线三维图；

5)搜寻振动轨迹x、y、z的局部极大值，得到空间曲线的包络面，包络面内径 向最大值为实际纵波传播方向Preal；

6)在北、东、深度坐标系中，实际纵波传播方向Preal在水平面的投影和地面震 源点至检波器方向Ptheory在水平面投影的夹角为检波器水平分量旋转角θ，Ptheory 的水平分量与θ之和是井中检波器的三分量方位角。

7)为了准确的定位检波器三分量，建议在地面至少2个不同位置进行激发，重 复1)～6)步骤。

本发明可以很好的确定微地震井中监测的检波器水平分量，并且同时使用方便简 洁，运算效率高。

具体实施例：

12级检波器排列下入监测井1130-1240m处，压裂井位裸眼压裂不进行射孔作业， 在地面60°、120°、320°三个方位用人工可控震源进行地面炮作业求取检波器方位。 为了验证地面震源求取方位的准确性，在监测井180°方位的井下1200m处进行导爆 索作业，如图3所示。

本具体实施例的具体步骤包括：

1)将电缆连接的三分量检波器下到监测井1130-1240m处。

2)在地面距离监测井(直井)井口约1km的三各方位处激发地震纵波，激发能 量以井中各检波器清晰读取初至波形为要求。

3)将各检波器Z分量记录与所有检波器Z分量均值记录进行波形互相关计算， 保留相关系数大于0.8的三分量波形记录。

4)采用前、后时窗滑动能量比识别直达波纵波初至起跳时刻，在以初至起跳点 为中心的2-3个周期时间内，逐个采样点读取X、Y、Z分量随时间变化的振幅值， 根据X、Y、Z坐标分量随时间变化的振幅值，绘制质点振动轨迹曲线三维图；

如图4所示，是以初至起跳点为中心的1个周期时间内，绘制的质点振动轨迹曲 线三维图，其中，(B)部分为X、Y、Z三分量波形，(A)部分为质点空间运动轨迹，(A1) 部分、(A2)部分、(A3)部分分别为YX、ZX、ZY方向的轨迹图。

5)搜寻振动轨迹x、y、z的局部极大值，得到空间曲线的包络面，包络面内径 向最大值为实际纵波传播方向Preal。

6)在北、东、深度坐标系中，实际纵波传播方向Preal在水平面的投影和地面震 源点至检波器方向Ptheory在水平面投影的夹角为检波器水平分量旋转角θ，Ptheory 的水平分量与θ之和是井中检波器的三分量方位角。

7)为了准确的定位检波器三分量，在地面3个不同位置进行激发，重复1)～6) 步骤，综合确定检波器三分量方位，如下表1所示。

表1 地面炮定位检波器方位

Chan Inst IAxis North East Depth iN iE iD 1 1 X 367.8 -548.8 1130 -0.906 0.422 -0.0108 2 1 Y 367.8 -548.8 1130 -0.423 -0.906 0.0214 3 1 Z 367.8 -548.8 1130 7.40E-04 -0.024 -1

4 2 X 367.7 -548.6 1140 0.208 -0.978 0.024 5 2 Y 367.7 -548.6 1140 0.978 0.208 -0.00412 6 2 Z 367.7 -548.6 1140 9.62E-04 -0.0243 -1 7 3 X 367.7 -548.3 1150 -0.993 -0.122 0.00201 8 3 Y 367.7 -548.3 1150 0.122 -0.992 0.0243 9 3 Z 367.7 -548.3 1150 9.62E-04 -0.0243 -1 10 4 X 367.7 -548 1160 0.629 -0.777 0.0258 11 4 Y 367.7 -548 1160 0.777 0.629 -0.0158 12 4 Z 367.7 -548 1160 0.00395 -0.03 -1 13 5 X 367.7 -547.7 1170 0.866 -0.5 0.0184 14 5 Y 367.7 -547.7 1170 0.5 0.866 -0.024 15 5 Z 367.7 -547.7 1170 0.00395 -0.03 -1 16 6 X 367.6 -547.4 1180 -0.588 -0.808 0.0229 17 6 Y 367.6 -547.4 1180 0.809 -0.587 0.0295 18 6 Z 367.6 -547.4 1180 0.0104 -0.0359 -0.999 19 7 X 367.5 -547 1190 -0.258 0.965 -0.0388 20 7 Y 367.5 -547 1190 -0.966 -0.259 -0.00168 21 7 Z 367.5 -547 1190 0.0117 -0.037 -0.999 22 8 X 367.3 -546.6 1200 0.913 -0.406 0.0257 23 8 Y 367.3 -546.6 1200 0.407 0.913 -0.0291 24 8 Z 367.3 -546.6 1200 0.0117 -0.037 -0.999 25 9 X 367.1 -546.3 1210 -0.765 0.642 -0.0406 26 9 Y 367.1 -546.3 1210 -0.643 -0.765 0.017 27 9 Z 367.1 -546.3 1210 0.0202 -0.0391 -0.999 28 10 X 366.9 -545.9 1220 0.19 -0.981 0.0422 29 10 Y 366.9 -545.9 1220 0.982 0.191 0.0124 30 10 Z 366.9 -545.9 1220 0.0202 -0.0391 -0.999 31 11 X 366.7 -545.5 1230 -0.719 0.694 -0.0441 32 11 Y 366.7 -545.5 1230 -0.695 -0.719 0.0129 33 11 Z 366.7 -545.5 1230 0.0228 -0.0399 -0.999 34 12 X 366.5 -545.1 1240 1 1.24E-15 0.0233 35 12 Y 366.5 -545.1 1240 9.36E-04 0.999 -0.0401 36 12 Z 366.5 -545.1 1240 0.0233 -0.0401 -0.999

(9)在监测井180°方位的1200m井下进行导爆索作业，再次求取检波器三分量 方位，如下表2所示，从表2可以验证地面炮信号的准确性。

表2井下导爆索定位检波器方位

Chan Inst IAxis North East Depth iN iE iD 1 1 X 367.8 -548.8 1130 0.92 -0.391 0.0101 2 1 Y 367.8 -548.8 1130 0.391 0.92 -0.0218 3 1 Z 367.8 -548.8 1130 7.40E-04 -0.024 -1 4 2 X 367.7 -548.6 1140 -0.259 0.966 -0.0237 5 2 Y 367.7 -548.6 1140 -0.966 -0.259 0.00537 6 2 Z 367.7 -548.6 1140 9.62E-04 -0.0243 -1 7 3 X 367.7 -548.3 1150 0.985 0.174 -0.00328 8 3 Y 367.7 -548.3 1150 -0.174 0.985 -0.0241 9 3 Z 367.7 -548.3 1150 9.62E-04 -0.0243 -1 10 4 X 367.7 -548 1160 -0.616 0.788 -0.0261 11 4 Y 367.7 -548 1160 -0.788 -0.615 0.0154 12 4 Z 367.7 -548 1160 0.00395 -0.03 -1 13 5 X 367.7 -547.7 1170 -0.819 0.573 -0.0205 14 5 Y 367.7 -547.7 1170 -0.574 -0.819 0.0223 15 5 Z 367.7 -547.7 1170 0.00395 -0.03 -1 16 6 X 367.6 -547.4 1180 0.5 0.865 -0.0259 17 6 Y 367.6 -547.4 1180 -0.866 0.5 -0.0269 18 6 Z 367.6 -547.4 1180 0.0104 -0.0359 -0.999 19 7 X 367.5 -547 1190 0.19 -0.981 0.0386 20 7 Y 367.5 -547 1190 0.982 0.191 0.00438 21 7 Z 367.5 -547 1190 0.0117 -0.037 -0.999 22 8 X 367.3 -546.6 1200 -0.891 0.454 -0.0272 23 8 Y 367.3 -546.6 1200 -0.454 -0.89 0.0277 24 8 Z 367.3 -546.6 1200 0.0117 -0.037 -0.999 25 9 X 367.1 -546.3 1210 0.629 -0.777 0.0431 26 9 Y 367.1 -546.3 1210 0.777 0.629 -0.00892 27 9 Z 367.1 -546.3 1210 0.0202 -0.0391 -0.999 28 10 X 366.9 -545.9 1220 7.89E-04 0.999 -0.0391 29 10 Y 366.9 -545.9 1220 -1 2.07E-15 -0.0202 30 10 Z 366.9 -545.9 1220 0.0202 -0.0391 -0.999

31 11 X 366.7 -545.5 1230 0.39 -0.92 0.0457 32 11 Y 366.7 -545.5 1230 0.921 0.39 0.00539 33 11 Z 366.7 -545.5 1230 0.0228 -0.0399 -0.999 34 12 X 366.5 -545.1 1240 -0.945 0.325 -0.0351 35 12 Y 366.5 -545.1 1240 -0.326 -0.945 0.0303 36 12 Z 366.5 -545.1 1240 0.0233 -0.0401 -0.999

并且，图5为利用井中导爆索验证地面震源确定检波器三分量方位结果的正确性 的示意图，其中，(a)部分是用N0P1地面震源信号定位检波器，求取井下导爆索 位置；(b)部分是用N0P2地面震源信号定位检波器，求取井下导爆索位置；(c) 部分是用N0P3地面震源信号定位检波器，求取井下导爆索位置；(d)部分是用导 爆索信号定位检波器，分别定位3地面炮的方位。

从定位结果来看，地面炮和井中导爆索信号求取不同深度12级检波器三分量X、 Y、Z的N、E、D方位的调整结果iN、iE、iD数值相差很小，绝大部分相对误差小 于2％，由于地面炮和井中导爆索相对监测井方位相差180°，负值说明方向相反，所 以地面炮求取检波器的方位完全满足定位精度。并且，已知了井中检波器的三分量方 位，就可以判断微地震源的方位。

本发明实施例的微地震监测中的井中检波器水平分量定向方法，可以很好的确定 微地震井中监测的检波器水平分量，并且使用方便简洁，运算效率高。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程 序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件 方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序 代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等) 上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流 程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的 每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些 计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设 备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执 行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方 框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特 定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包 括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一 个方框或多个方框中指定的功能。这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编 程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计 算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程 图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例 的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术 人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述， 本说明书内容不应理解为对本发明的限制。