微地震有效事件的自动识别方法

牟培杰　柴　晨

(山西省地球物理化学勘查院，山西 运城　044004)



微地震有效事件的自动识别方法

牟培杰柴晨

(山西省地球物理化学勘查院，山西 运城044004)

介绍了微地震有效事件识别的研究现状，根据微地震监测研究的需要，提出了用长短时窗能量比法来自动识别微地震的有效事件，解决了快速、准确自动识别微地震有效事件的问题。

微地震，能量比法，自动识别

1　概述

在油气田开发阶段，通过分析微地震资料来确定裂缝的位置，从而对油藏动态进行监测，对油田采收率的提高有重大的指导意义。但是以人工识别为主的微地震监测资料处理方法会浪费很大的人力物力，并且一次水利压裂成像的时间很长,不利于今后微地震监测技术的发展方向。目前，微地震有效事件的自动拾取技术研究还处于初始阶段，其方法也主要借鉴于天然地震。主要的拾取方法有：能量比法、神经网络法、AIC算法、分形分维法、卡尔曼估计以及极化分析法等方法[1]。本文提出了用长短时窗能量比法来快速、准确的自动识别微地震的有效事件，可以比较快速的得到压裂结果，从而对压裂效果进行评价，进而对开采方案进行及时调整。

2　微地震有效事件自动识别技术

微地震有效事件的自动识别是微地震资料后续处理的基础，对震源定位的工作有很大影响。本文通过分析有效信号与背景噪声的特点，以长短时窗能量比(STA/LTA)法为基础，结合多道检波器相互间处置关系来进行微地震事件的识别。微地震有效事件的自动识别是利用有效地震波与背景噪声在频率、能量、功率谱、偏振特性等方面[2，3]的差异来实现的。由于微地震监测是多道记录，还可以利用相邻道之间微地震事件的相关性与走时关系。

2.1长短时窗能量比法

在地震信号的自动识别方法中，能量比法是应用最多，也是最快的一种。本文是通过长短时窗能量比法(STA/LTA)来实现的，它利用能量比的不同来识别微地震的有效事件，这个能量比可以是不同分量、不同时窗、不同坐标系的。微地震三分量记录上有效信号和背景噪声的不同能量特征为微地震有效事件的识别提供了可能。由于微地震监测记录是多分量的，在记录的过程中受外界的影响，不同分量的数据好坏程度可能会不一样，可以根据实际的情况选取不同的分量来进行处理。对于微地震监测的三分量记录x(t),y(t),z(t)。z(t)为垂直分量，x(t),y(t)为水平分量，可以选择合适的分量组合来求取能量：

EZ(t)=|z(t)|

(1)

式(1)中的三个组合分别是三个分量、垂直分量与水平分量的能量。

在应用长短时窗能量比法识别微地震事件的过程中，选择一个滑动的时窗，即在某一时刻t0前后分别以一定的长度选取长时窗和短时窗，并求得长短时窗内能量的平均值，根据长短时窗内所求的平均值来计算能量比。

长短时窗能量比法(STA/LTA)特征函数可以定义为:

R=STA(t)/LTA(t)

(2)

其中：

(3)

(4)

其中，t1，t0分别为长时窗起止时刻；t0，t2分别为短时窗起止时刻，如图1所示。

在利用长短时窗能量比法进行微地震事件的识别时，在两个时窗内通过能量特征的变化来描述微地震事件的到来，通过时间窗的滑动分别求得短时窗的能量平均值和长时窗的能量平均值。长时窗的平均值(LTA)描述的是微地震监测资料背景噪声能量的变化趋势，而描述微地震监测资料有效信号的能量变化趋势的是短时窗的平均值(STA)。微地震有效事件到来时，短时窗的平均值比长时窗的平均值变化得快，所以STA/LTA的值会有一个明显的突跳，当这个比值超过所设定的门限值时，就认为有微地震事件的到来。关于阈值的设置，本文通过实际微地震资料的处理和分析，得出：短时窗长度相对于长时窗长度越小，STA/LTA的敏感性越高，设置初设阈值应该大一些；短时窗长度相对于长时窗长度越大，敏感性越低，设置初设阈值应该小一些。阈值可以设定为一个固定值，通常情况下可以估算出微地震资料的信噪比，当门限值设为信噪比的3/4时，基本上可以识别出大部分的微地震事件。

利用长短时窗能量比法进行微地震有效事件的识别是基于单级检波器的，当观测井中的环境比较复杂、微地震监测资料的信噪比比较低时，单独利用一级检波器来进行微地震有效事件的识别，误拾的情况可能会比较多，这时所得结果不可靠。因此可以根据水力压裂的设计，先估计出微地震信号到达检波器的时间规律，利用多级检波器综合考虑。当微地震事件传播到检波器时，各个三分量检波器上应该都能记录到，而且它们的到来具有一定的规律性，可以利用其规律设置一个滑动的时窗，在多级检波器上进行检测，以确保不会出现由其他原因引起的误拾。图2是一段微地震资料的能量比曲线，可以看到如果是微地震信号，它会在多道检波器上表现出来(方框处)，而不是在某一道上出现峰值，这样就可以避免一些误拾的可能性，而且P波、S波能够分开。

2.2P波、S波识别

在进行微地震事件的自动识别时，如果门限值被触发，就可以断定有微地震事件的发生。但是不能判断触发门限值的微地震信号的波型是P波还是S波。为此，我们可以对微地震的有效信号进行偏振分析，通过偏振方向来判断该事件是P波还是S波。

虽然微地震震源的空间位置是我们要确定的量，但是在此之前，我们可以根据压裂施工设计和其他信息估计出一个大概范围。假如地层介质不是各向异性的，并且压裂裂缝不会产生横波分裂，那么P波、SH波、SV波的偏振主方向应该是相互垂直的，我们可以根据协方差矩阵分解寻找其最大特征向量从而求得它们的偏振方向。

假设在一个时窗内有N个样点，每个样点都有X，Y，Z三个分量。那么在时窗[T1，T2]内，所有样点的平均值为：

(5)

其中,(n2-n1)Δt=T2-T1，Δt为采样间隔；N为采样点数，N=n2-n1+1时窗内采样点的协方差矩阵表示为：

(6)

其中，cov为协方差运算，求取向量x(i)与y(i)的协方差的运算为：

(7)

由式(7)协方差矩阵我们可以得到三个特征值λ1,λ2,λ3(λ1>λ2>λ3)以及对应的三个特征向量Λ1,Λ2,Λ3。最大特征值对应的最大特征向量可以认为是波振动的方向。

假如地层介质不是各向异性的，并且压裂裂缝不会产生横波分裂，那么P波、SH波、SV波的偏振主方向应该是相互垂直的。如果是P波，其振动方向与地震波的传播方向是一致的，当检波器被放置在与震源近似同一水平面的地层中时，P波的偏振主方向与检波器的垂直分量近似垂直，微地震记录中P波的垂直分量也就很小。与P波正好相反，如果SV波的震源与检波器深度近似时，由于SV波的垂直振动，三分量记录上垂直分量的值会很大。当然，如果检波器的深度与震源位置错开比较大的话，P波、SV波的偏振特性会出现相反的情况。而对于微震震源发出的SH波来说，由于SH波是在水平面内振动的，在层状地层条件下三分量检波器上是不会出现垂直分量的，它与P波的偏振方向和自身的传播方向是垂直的。虽然不知道微地震震源的位置，但是可以根据压裂施工设计和压裂井监测井的空间位置对其大概的范围做出估计，从而对P波和SH波的偏振主方向也做出一个大概的估计，如果不出现特殊的情况它们基本上不会重合，就算出现也不会很多[4]。

3　结语

本文首先介绍了微地震有效事件识别的研究现状，根据微地震监测的实际需要，研究了基于长短时窗能量比的微地震有效事件识别方法，该方法在实际微地震资料的处理过程中能够快速识别出微地震的有效事件，并利用偏振分析方法对微地震的波型进行判断。

[1]周彦文,刘希强.初至震相自动识别方法研究与发展趋势[J].华北地震科学,2007,25(4):18-22.

[2]王继，陈九辉，刘启元，等.流动地震台阵观测初至震相的自动检测[J].地震学报,2006,28(1):42-51.

[3]左国平，王彦春，隋荣亮.利用能量比法拾取地震初至的一种改进方法[J].石油物探,2004,43(4):345-347.

[4]E.H.加尔彼林.地震勘探偏振法[M].北京：石油工业出版社,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，助理工程师；柴晨(1990- )，男，助理工程师

TU352

A