本發(fā)明涉及一種微地震地面監(jiān)測(cè)速度模型校正算法。

背景技術(shù)：

水力壓裂技術(shù)在低滲油氣田開(kāi)發(fā)開(kāi)采以及儲(chǔ)層改造過(guò)程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，通過(guò)水力壓裂技術(shù)開(kāi)發(fā)低滲透油氣藏已成為一種普遍趨勢(shì)。微地震定位技術(shù)是微地震監(jiān)測(cè)工作的核心，該技術(shù)實(shí)施過(guò)程中，裂縫延伸導(dǎo)致周圍巖石破裂，從而引發(fā)一系列可觀測(cè)記錄的微地震事件。而監(jiān)測(cè)工區(qū)范圍內(nèi)的速度模型是影響微地震事件定位準(zhǔn)確與否的主要因素，因此，如何獲得一個(gè)有效的速度模型是微地震監(jiān)測(cè)工程中一個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)題。

在微地震監(jiān)測(cè)工程中，地震層析成像方法是尋求地下速度結(jié)構(gòu)的有效手段，但在實(shí)際壓裂監(jiān)測(cè)過(guò)程中受條件制約，射孔信息量較少，地面檢波器數(shù)量及覆蓋范圍嚴(yán)重不足，獲得較為精細(xì)的工區(qū)地下速度結(jié)構(gòu)幾乎是不可能的。目前現(xiàn)有的微地震速度模型構(gòu)建方法都以射孔重定位精度作為評(píng)判依據(jù)。anikiev采用嘗試的辦法，同時(shí)對(duì)各層測(cè)井初始模型進(jìn)行同時(shí)增加或減小一定值，得到一個(gè)相對(duì)較準(zhǔn)確的反演速度模型。pei等采用occam法進(jìn)行地下速度模型反演，譚玉陽(yáng)等采用levenberg-marquardt方法進(jìn)行速度模型反演。pei等，jiang等采用極快速模擬退火方案進(jìn)行速度模型校正，取得了一定效果。但以上方法均依賴于射孔記錄的初至拾取，在低信噪比情況下該方法失效。

cn105807316a公開(kāi)了一種《基于振幅疊加的地面觀測(cè)微地震速度模型校正方法》，從逆時(shí)偏移振幅疊加法原理出發(fā)，并結(jié)合極快速模擬退火算法，不需要拾取震相初至信息，通過(guò)監(jiān)測(cè)射孔點(diǎn)重定位精度，判斷速度模型是否可用于后續(xù)微地震定位。能有效的克服現(xiàn)有算法存在的極大值和最大值不分的情況，準(zhǔn)確的找到能量聚焦最大值e，準(zhǔn)確定位射孔位置，有效的校正速度模型。

但上述方法僅考慮到各層的速度不確定性，而并沒(méi)有考慮到各層位位置不確定性，導(dǎo)致射孔重定位仍存在一定誤差。因此，如何有效克服現(xiàn)有的微地震地面速度模型校正缺陷從而進(jìn)一步提高微地震事件定位精度是本領(lǐng)域亟需解決的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明在振幅疊加地面觀測(cè)微地震速度模型校正方法的基礎(chǔ)上，在極快速模擬退火方法過(guò)程中同時(shí)考慮各層速度不確定性以及層位不確定性，通過(guò)擴(kuò)大解空間的方法提高射孔事件重定位精度。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明方法的步驟如下：

a、在地面布置n個(gè)檢波器，并以射孔點(diǎn)位置作為中心點(diǎn)定義目標(biāo)區(qū)域；

b、根據(jù)定位精度需要將目標(biāo)區(qū)域劃分成若干網(wǎng)格尺寸大小相同的體元；

c、根據(jù)測(cè)井曲線建立初始速度模型并讀取n個(gè)檢波器所獲取的n道地震波資料；

d、采用震幅疊加方法定位射孔體元，并獲得能量聚焦值最大的網(wǎng)格體元中心點(diǎn)坐標(biāo)及相應(yīng)能量聚焦值e；

e、以速度值和層位值作為不確定因素，采用極快速模擬退火法對(duì)目標(biāo)層進(jìn)行調(diào)整；

f、對(duì)射孔事件進(jìn)行重定位，如果定位誤差不滿足定位要求，還需進(jìn)行回火處理調(diào)整速度模型，直到定位誤差足夠小為止。

g、是否滿足射孔精度要求：是；

h、結(jié)束。

步驟d中震幅疊加方法具體如下：

d1、計(jì)算各道檢波器獲取的地震波相對(duì)于參考道的走時(shí)差δti；參考道選擇有相對(duì)清晰的初至同相軸及較高的信噪比；

式(1)表示第i道與參考道走時(shí)之差；式(1)中δlij為第i道與參考道在第j層的路徑差，vj第j層的波速；

d2、各道檢波器獲取的地震波波形根據(jù)δti逆時(shí)偏移后進(jìn)行震幅疊加，表達(dá)式為：

式(2)中，各道波形在第j時(shí)刻的振幅值為a(f(t),k)；m為檢波器個(gè)數(shù)，n為時(shí)窗長(zhǎng)度；k為第j時(shí)刻的第k個(gè)采樣點(diǎn)；

將式(1)帶入式(2)得到：

其中步驟e，極快速模擬退火法具體實(shí)施如下：

第一步，根據(jù)測(cè)井曲線獲得初始速度向量v,v＝[vp1,vp2,vp3,...,vpn]及初始層位模型向量h，h＝[h1,h2,h3,...,hm-1]，其中，vpi為第i層p波速度，hj為第j個(gè)層界面深度坐標(biāo)。

第二步，計(jì)算目標(biāo)函數(shù)e(v),具體計(jì)算方法如下：

在測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)中，選擇任意一道作為參考道m(xù)，采用射線追蹤的方法求取其它各道相對(duì)于該參考道的理論走時(shí)差：

δt^cal＝[t1-tm,t2-tm,...,tn-tm](4)

根據(jù)該理論走時(shí)差對(duì)各道檢波器獲得的射孔記錄波形進(jìn)行逆時(shí)偏移疊加，目標(biāo)函數(shù)(疊加能量)的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

其中a為第i個(gè)體元在第j時(shí)刻的震幅大小，第i個(gè)體元的中心點(diǎn)坐標(biāo)為(xi,yi,zi)，m為檢波器個(gè)數(shù)，n為時(shí)窗長(zhǎng)度；

第三步，計(jì)算模擬退火初始溫度t0，獲取初始溫度的解決方法如下：

先給初始溫度一個(gè)很小的正值，然后不斷乘以一個(gè)恒大于1的數(shù)，直到滿足對(duì)任何模型的接受概率接近于1為止；

其中，v0為初始速度模型，v1為第一次迭代模型結(jié)果。

第四步，進(jìn)行模擬退火降溫計(jì)算，極快速模擬退火降溫公式如下：

tk＝t0exp(-ck^1/2n)(7)

其中k為迭代次數(shù)，t0為初始退火溫度，c為給定常數(shù)用來(lái)調(diào)整算法退火溫度，這里c＝0.5；n為需要調(diào)整速度的層數(shù)；

在進(jìn)行模擬退火計(jì)算過(guò)程中，還需調(diào)整速度向量v和層位模型向量h，具體公式為：

其中，與為各層速度的最大最小邊界值，其中與為各層位最大最小邊界值。其中sgn為符號(hào)函數(shù)，x為隨機(jī)變量，取值范圍在[-1,1]之間。μ∈[0,1]；產(chǎn)生x表達(dá)式為：

每次迭代計(jì)算模擬退火接受概率計(jì)算如下：當(dāng)e(v′)≥e(v)時(shí)，v′替代v作為當(dāng)前最優(yōu)解，當(dāng)e(v′)＜e(v)時(shí),以概率

替代當(dāng)前最優(yōu)解，其中tk為第k次迭代時(shí)的溫度值。最后以e(v)>e作為本次模擬退火運(yùn)算疊代終止條件。

本發(fā)明的有益效果：

現(xiàn)有技術(shù)中的極快速模擬退火算法過(guò)程中僅考慮了各層的速度向量v＝(vp1,vp2,vp3,...,vpn)^t的不確定性。而并沒(méi)有考慮到工區(qū)地下層位測(cè)量不準(zhǔn)而導(dǎo)致的第i道與參考道在第j層的路徑差δlij的不確定性。這就導(dǎo)致速度模型解空間較小，雖經(jīng)模擬退火運(yùn)算，但仍無(wú)法完全消除射孔重定位誤差。本專利提出在原算法模擬退火計(jì)算過(guò)程中加入各層位不確定因素，通過(guò)增大解空間的方式提高射孔點(diǎn)重定位精度，能夠很好的解決射孔重定位不準(zhǔn)的問(wèn)題，并有效提高射孔點(diǎn)周圍微地震定位可信度。

附圖說(shuō)明

圖1基于振幅疊加的地面觀測(cè)微地震速度模型校正方法流程圖；

圖2二維層狀起伏結(jié)構(gòu)地層模型圖；

圖3檢波器各道正演模擬波形圖；

圖4(a)常規(guī)振幅疊加算法射孔重定位結(jié)果；

圖4(b)算法改進(jìn)后的射孔重定位結(jié)果；

圖5震源定位分布結(jié)果；

圖6震源定位誤差結(jié)果圖；

圖7(a),(b)為經(jīng)過(guò)本文改進(jìn)后射孔重定位結(jié)果；

圖7(c),(d)為采用常規(guī)振幅疊加速度模型校正算法射孔重定位結(jié)果。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1

下面結(jié)合附圖和模擬地層模型對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案以具體實(shí)施例的方式進(jìn)行清楚、完整的描述。具體實(shí)施步驟如圖1所示，具體如下：

a、如圖2所示，選擇二維層狀起伏結(jié)構(gòu)地層模型進(jìn)行驗(yàn)證本文的改進(jìn)算法，實(shí)際信號(hào)采用有限差分波動(dòng)方程進(jìn)行模擬，根據(jù)所模擬的地層模型建立初始平層狀地層模型，后續(xù)的正演采用射線追蹤方法，反演方法采用上述振幅疊加速度模型校正方法，并加入本文所提出的層位不確定因素，本次實(shí)驗(yàn)假定中間各層位上下浮動(dòng)不超過(guò)50m。檢波器排布與震源位置如圖2所示，其中首個(gè)檢波器坐標(biāo)為(200,0)，每個(gè)檢波器間距為50m，震源位置為(50,1400)。表1為根據(jù)測(cè)井曲線建立的初始速度模型參數(shù)。圖3為各道檢波器正演模擬波形。

b、將目標(biāo)區(qū)域劃分為網(wǎng)格尺寸為10m的體元，每一個(gè)網(wǎng)格中心可以被看作是微地震事件發(fā)生的潛在位置；

c、如圖2所示，根據(jù)測(cè)井信息(圖2綠線所示)獲得各個(gè)地層的速度模型，初始速度向量v＝[2200,2750,3400,4800](單位m/s)，初始層界面向量模型h＝[424,729,1230](單位：m)，其中1～4層的深度范圍依次為0m～424m，424m～779m，779m～1230m，1230m～1600m，與此對(duì)應(yīng)的各層速度最大邊界值為v^max＝[2500,3200,4000,5500](單位m/s)，各層速度最小邊界值為v^min＝[1800,2400,3000,4500](單位m/s)；并讀取17道檢波器模擬資料。

d、采用振幅疊加對(duì)射孔定位并獲得能量聚焦值最大的網(wǎng)格中心點(diǎn)坐標(biāo)及相應(yīng)能量聚焦值e＝12.7；震幅疊加方法具體如下：

d1、計(jì)算各道檢波器獲取的地震波相對(duì)于參考道的走時(shí)差δti；參考道選擇有相對(duì)清晰的初至同相軸及較高的信噪比；

式(1)表示第i道與參考道走時(shí)之差；式(1)中δlij為第i道與參考道在第j層的路徑差，vj第j層的波速；

d2、各道檢波器獲取的地震波波形根據(jù)δti逆時(shí)偏移后進(jìn)行震幅疊加，表達(dá)式為：

式(2)中，各道波形在第j時(shí)刻的振幅值為a(f(t),k)；m為檢波器個(gè)數(shù)，n為時(shí)窗長(zhǎng)度；k為第j時(shí)刻的第k個(gè)采樣點(diǎn)；

將式(1)帶入式(2)得到：

e、將第一道檢波器(200,0)作為參考道，根據(jù)測(cè)井信息建立的初始速度模型，利用射線追蹤技術(shù)計(jì)算模擬射孔點(diǎn)到各參考道的理論時(shí)差δt^cal，根據(jù)理論時(shí)差對(duì)各道進(jìn)行偏移疊加，獲取目標(biāo)函數(shù)e(v)。

δt^cal＝[t1-tm,t2-tm,...,tn-tm](4)

根據(jù)該理論走時(shí)差對(duì)各道檢波器獲得的射孔記錄波形進(jìn)行逆時(shí)偏移疊加，目標(biāo)函數(shù)(疊加能量)的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

其中a為第i個(gè)體元在第j時(shí)刻的震幅大小，第i個(gè)體元的中心點(diǎn)坐標(biāo)為(xi,yi,zi)，m為檢波器個(gè)數(shù)，n為時(shí)窗長(zhǎng)度；

f、采用極快速模擬退火算法對(duì)各層界面位置及各層速度值進(jìn)行調(diào)整，首先按照上述模擬退火步驟e中第三步求取模擬退火算法初始溫度t0，

計(jì)算模擬退火初始溫度t0，獲取初始溫度的解決方法如下：

先給初始溫度一個(gè)很小的正值，然后不斷乘以一個(gè)恒大于1的數(shù)，直到滿足對(duì)任何模型的接受概率接近于1為止；

其中，v0為初始速度模型，v1為第一次迭代模型結(jié)果。得到初始溫度的近似值為100℃。

然后進(jìn)行模擬退火降溫計(jì)算，所采用的極快速模擬退火降溫公式如下：

tk＝t0exp(-ck^1/2n)(7)

其中k為迭代次數(shù)，t0為初始退火溫度，c為給定常數(shù)用來(lái)調(diào)整算法退火溫度，這里c＝0.5；n為需要調(diào)整速度的層數(shù)；

在進(jìn)行模擬退火計(jì)算過(guò)程中，還需調(diào)整速度模型向量v和層位模型向量h，具體公式為：

其中，與為各層速度的最大最小邊界值，其中與為各層位最大最小邊界值。其中sgn為符號(hào)函數(shù)，x為隨機(jī)變量，取值范圍在[-1,1]之間。μ∈[0,1]；產(chǎn)生x表達(dá)式為：

每次迭代計(jì)算模擬退火接受概率計(jì)算如下：當(dāng)e(v′)≥e(v)時(shí)，v′替代v作為當(dāng)前最優(yōu)解，當(dāng)e(v′)＜e(v)時(shí),以概率

替代當(dāng)前最優(yōu)解，其中tk為第k次迭代時(shí)的溫度值。最后以e(v)>e作為本次模擬退火運(yùn)算疊代終止條件。

g、將經(jīng)過(guò)調(diào)整后的速度模型對(duì)射孔事件進(jìn)行重定位，若定位結(jié)果滿足定位精度(誤差在5m以內(nèi))要求，即與真實(shí)射孔位置相差甚微，；若定位結(jié)果不滿足定位精度要求，即與真實(shí)射孔位置相差較大，則需對(duì)進(jìn)行回火處理繼續(xù)調(diào)整速度模型，直至滿足射孔精度要求后結(jié)束。

如圖7所示，利用常規(guī)振幅疊加速度模型構(gòu)建算法得到的射孔重定位結(jié)果誤差為23m，而采用本文改進(jìn)后的算法重定位誤差小于2m，可見(jiàn)本文改進(jìn)后的算法比常規(guī)算法更優(yōu)。

為驗(yàn)證該方法對(duì)震源定位可信度的提高，本專利在射孔周圍設(shè)置了24個(gè)震源(圖5所示)，分別采用初始速度模型，原震幅疊加微地震速度模型校正算法，以及改進(jìn)后速度模型校正方法構(gòu)建速度模型，并對(duì)24個(gè)震源進(jìn)行重定位處理，定位分布結(jié)果如圖5所示，震源定位分布誤差如圖6所示。從以上結(jié)果可以看出，采用本專利方法進(jìn)行速度模型校正后，能夠有效提高射孔周邊微地震定位可信度。