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物探与化探, 2019, 43(5): 1064-1073 doi: 10.11720/wtyht.2019.0065

方法研究·信息处理·仪器研制

双约束变换时窗统计能量比地震波初至拾取方法

时伟1, 林春华2, 王维红,1, 高云路3,4

1. 东北石油大学(大庆) 地球科学学院,黑龙江 大庆 163318

2. 大庆油田有限责任公司 勘探开发研究院,黑龙江 大庆 163712

3. 中国科学院 地质与地球物理研究所,北京 100029

4. 中国科学院 地球与行星物理重点实验室,北京 100029

A first arrival pickup method of micro-seismic event based on statistic energy ratio using varied time window with double constraints

SHI Wei1, LIN Chun-Hua2, WANG Wei-Hong,1, GAO Yun-Lu3,4

1. School of Earth Sciences,Northeast Petroleum University (Daqing),Daqing 163318,China

2. Research Institute of Exploration and Development of Daqing Oilfield Company Limited,Daqing 163712,China

3. Institute of Geology and Geophysics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100029,China

4. Key Laboratory of Earth and Planetary Physics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100029,China;

通讯作者: 王维红(1975-),男,博士,教授 ,主要从事地震资料数字处理方面的研究工作。Email:wwhsy@sina.com

责任编辑: 叶佩

收稿日期: 2019-01-28   修回日期: 2019-07-8   网络出版日期: 2019-10-20

基金资助: 国家自然科学基金项目.  41574117
黑龙江省杰出青年科学基金项目.  JC2016006

Received: 2019-01-28   Revised: 2019-07-8   Online: 2019-10-20

摘要

地震数据的初至拾取是地震勘探中数据预处理的关键步骤。在非常规油气藏的开发过程中,地面微地震监测技术被广泛应用,由于微地震数据信噪比普遍较低,因此很难得到较为准确的初至拾取结果。针对地震数据的初至拾取精度和算法的抗噪性能,在变换时窗统计能量比法的基础上进行改进,应用统计学规律的同时设置阈值门槛R,求取可信度高的优势道,结合拾取范围约束Z以及多种拾取策略逐道计算,最终实现地震记录的初至拾取。利用该方法对松辽盆地某工区三维地震数据及某地区水平井水力压裂地面微地震监测数据进行初至拾取,取得到了较好的拾取效果,验证了该方法的实用性。

关键词： 初至拾取 ; 微地震 ; 信噪比 ; 水力压裂 ; 时窗能量比

Abstract

The first arrival of seismic data is a key step of data preprocessing in seismic exploration.In the development of unconventional oil and gas reservoirs,surface microseismic monitoring technology is widely used.The focus of the work is to obtain the source location information generated by hydraulic fracturing,that is,the location of the microseismic source.For the microseismic source location, the initial picking of microseismic events is a key step,and the accuracy of the picking results directly affects the positioning accuracy of the microseismic events and the interpretation of the final results.However,in the actual seismic data,the signal-to-noise ratio of microseismic data is generally low,and it is difficult to obtain more accurate first arrival results.At present,the picking up of the first arrival wave of the microseismic is mainly divided into two methods:manual picking and computer automatic picking.The manual picking has the characteristics of high accuracy,but the workload is large,time-consuming and laborious.Aimed at picking accuracy of the first-arrival wave of seismic data and the anti-noise performance of the method,this paper makes improvement on the basis of the statistical energy ratio method of transforming time window,and sets the threshold value R while applying statistical law to obtain the superiority of high credibility.Combined with the value of picking range constraint Z and a variety of picking strategies,the first-arrival wave pick-up of the seismic record is finally achieved.The method was used to pick up the 3D seismic data of a work area in Songliao Basin and the hydraulic fracturing ground microseismic monitoring data of a horizontal well in Songliao Basin.The picking effect was obtained and the practicability of the method was verified.In summary,the method has achieved good pickup results in both the theoretical data of different signal-to-noise ratios and the application of actual data,and has strong anti-noise performance.

Keywords： first arrival pickup ; microseismic ; signal to noise ratio ; hydraulic fracturing ; energy ratio

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时伟, 林春华, 王维红, 高云路. 双约束变换时窗统计能量比地震波初至拾取方法. 物探与化探[J], 2019, 43(5): 1064-1073 doi:10.11720/wtyht.2019.0065

SHI Wei, LIN Chun-Hua, WANG Wei-Hong, GAO Yun-Lu. A first arrival pickup method of micro-seismic event based on statistic energy ratio using varied time window with double constraints. Geophysical and Geochemical Exploration[J], 2019, 43(5): 1064-1073 doi:10.11720/wtyht.2019.0065

0 引言

对于非常规油气藏的开发,微地震监测技术是一种行之有效的定量分析水力压裂所产生的裂缝展布情况的方法。对于微地震数据处理,其工作重点是获得水力压裂产生的震源位置信息,即微地震震源定位。对于微地震震源定位来说,微地震事件的初至拾取是一个关键环节,拾取结果的精度直接影响微地震事件的定位精度和最终的成果解释。目前微地震初至波的拾取主要分为人工拾取及计算机自动拾取两种方式。人工拾取具有准确度高等特点,但工作量较大,费时费力[1,2,3,4],应用计算机自动拾取具有效率高等特点,但是拾取精度普遍不高[5,6,7,8,9]。因此,需要实现一种即相对高效又精准的方法来拾取微地震初至。

微地震有效事件的初至拾取最早借鉴了一些天然地震方法[10],主要是以地震信号与噪声在地震记录中的能量信息、波形信息、道间走时等信息上的差异为基础,进行初至拾取。国内外学者对此作了大量研究[11,12,13,14,15],发展了很多自动拾取微地震事件初至波到时的方法。Stevenson研究了地震波自动分析理论[16],提出了短长时窗能量比法(STA/LTA),随后国内外学者对STA/LTA法进行了诸多研究。国外学者,Allen等对STA/LTA法进行了大量的测试,指出该方法计算效率较高适用于石油勘探中的初至拾取计算,但对于低信噪比数据拾取精度不足[17,18,19,20];Baranov等将小波变换与STA/LTA法相结合,对通过小波变换后的数据进行拾取计算,在一定程度上提高了STA/LTA法的抗噪性[21];Pikoulis等在STA/LTA法基础上提出一种自适应P波检测方法,取得了良好的拾取效果[22];Ross等结合统计学规律提出一种多指标伪概率的地震波初至拾取算法[23];Yoones Vaezi等对STA/LTA法及功率谱密度(PSD)方法作对比分析,指出PSD法相对于STA/LTA法抗噪性能较强[24];Jubran Akram等测试了8种不同的特征函数对STA/LTA法灵敏度的影响,并对STA/LTA法进行改进,提出了基于K均值特征函数的优化STA/LTA法[25]。

国内,左国平等对传统的STA/LTA法进行改进,形成了滚动时窗能量比法,提高了计算结果的准确性和稳定性[26];叶根喜等在STA/LTA法中加入稳定因子,并对该方法进行了可行性研究[27];吴治涛等比较了在不同短时窗平均值情况下,对拾取精度和结果的影响,发现短时窗长度相对于长时窗长度越小,STA/LTA法拾取P波的敏感性越高[28];张伟等提出了基于统计学规律的变换时窗法拾取微地震初至波,得到了良好的拾取效果[29]。此外,以STA/LTA法为基础,郑江龙等提出了能量差法,将计算能量和的比值改为计算差值[30];吕世超等提出利用偏振约束的STA/LTA法[31];陈金换等提出二分法与改进的STA/LTA法联合拾取初至,并在实际数据中进行应用[32];刘晓明等提出在STA/LTA曲线上寻找全局最大值点的方法确定P波的初至[33]。

本文是在前人的研究成果之上,以STA/LTA法及变换时窗统计能量比法原理为基础,考虑到低信噪比地震记录初至拾取准确度不高,抗噪性能差等难题,在变换时窗统计能量比法的基础上进行改进,以阈值R控制拾取精度的同时挑选出优势道,结合拾取范围约束Z对不同地震记录提供多种拾取策略,最终形成一种新的微地震初至拾取方法,该方法特点在于将拾取范围约束Z与多种拾取策略相结合,在多种拾取约束下对地震数据逐道计算,在减少计算量的同时使拾取精度提高,为后续微地震震源定位及解释工作打好基础。

1 方法原理

传统的STA/LTA法[6]与变换时窗统计能量比法[29]都是以STA/LTA比值为依据进行初至拾取,两种方法在无噪声的理论模型上均能准确地拾取到初至。不同的是,传统的能量比法时窗大小是固定的,拾取计算均在一种时窗下进行。对于复杂地区,初至波的波形变化较大,各种复杂噪声相互叠加,极容易在某一道形成强能量干扰,这时固定时窗很难在这种强噪声地震道上拾取到较为准确的初至时间[1]。同时,该方法需要人为给定时窗大小,这使得该方法的拾取效果更加不稳定。变换时窗统计能量比法的时窗则在一定的范围内滚动变化,最终将每个变化步长下的拾取结果进行统计并结合统计学原理求取初至。相比于传统的STA/LTA法,变换时窗统计能量比法人工干预更少,但是对于信噪比较低的地震道,该方法仍然无法拾取到较准确的初至。张伟等在文献[29]对青海某工区一炮实际数据应用传统STA/LTA法及变换时窗统计能量比法拾取初至,从拾取效果上看,变换时窗统计能量比法的拾取效果更好,但是作者指出,对于某些特殊点变换时窗统计能量比法的拾取效果仍然不佳。

为了更好地验证本文提出的双约束变换时窗统计能量比算法在初至拾取方面的优越性,本文以STA/LTA法及变换时窗统计能量比法的拾取效果为蓝本,与本文提出的方法进行对比分析。

1.1 STA/LTA法

短长时窗平均能量比法(STA/LTA法)是依据地震记录中的能量特征来拾取初至。初至波到时时刻在地震记录上是一个特殊的点,理论上在该点之前地震记录中信号的能量为零,在该点之后出现强地震信号,将这个特点以短、长时窗能量比值的形式表示出来就形成了STA/LTA法。对于STA/LTA法的实现,文中采用张唤兰等在文献[6]中使用的STA/LTA法公式,下面是该方法的具体实现过程。

对于一道地震记录如图1所示,首先要确定合适的时窗大小,假设长时窗大小为L1,短时窗大小为L2,然后从各道第一个采样点开始滚动计算短长时窗内的平均能量Elta及Esta,最终记录Esta/Elta的结果。考虑到方程的稳定性,文中对公式增加了稳定因子项,不同的学者提出的稳定因子稍有不同[4,5,6],但其本质都是加上一个远小于该道能量的定值,文中使用的稳定因子α表示长时窗的平均能量乘以一个极小的数,其基本计算公式为[6] :

E(t)=[(Elta)1/2+α]/[(Esta)1/2+α],

式中,E(t)为短长时窗能量比计算结果,α表示稳定因子。经过窗口循环得到整个地震道每个时间点的E(t)值,记录使E(t)达到最大值的t'点,即为该道地震记录的初至位置。

图1

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图1   STA/LTA法原理示意

Fig.1   Schematic diagram of the traditional STA/LTA method


1.2 变换时窗统计能量比法

变换时窗统计能量比法是STA/LTA法的一种改进。对于不同的地震记录,STA/LTA法对时窗大小的选取较为敏感。不同地震道其最适合的时窗大小不尽相同,因此变换时窗统计能量比法在STA/LTA法基础上增加了变窗过程[29]。变窗过程是指短、长时窗的大小及长度比值在一定的范围内依次变化。首先, 要根据地震记录波形特征确定时窗的变化范围Mi=(m0,…,mn)i∈(0,…,n),同时确定短长时窗的长度比Li,最后对每一种窗口下的数据都应用STA/LTA法拾取初至。对于一道地震记录来说,其基本计算公式为:

max{Mi{E(t)}}=[(Eltai)1/2+αi]/[(Estai)1/2+αi]

式中, Eltai、 Estai、αi、Mi{E(t)}分别表示在时窗变化范围为Mi、短长时窗的长度比Li的情况下的短时窗能量、长时窗能量、稳定因子、短长时窗能量比值。max{Mi{E(t)}}表示Mi{E(t)}的最大值,其对应的时间点 ti'即为时窗变化范围为Mi、短长时窗的长度比Li下拾取的初至位置。最后结合统计学原理,统计所有的max{Mi{E(t)}}中出现次数最多的 ti'值记为t',t'即为最终的变换时窗统计能量比法的拾取结果。

1.3 双约束变换时窗统计能量比法

考虑到单一的利用地震记录能量信息进行初至拾取很难取得较好的拾取效果,对于质量较差的地震数据很容易拾取到错误的能量极值点。针对拾取结果的高效率、高精度,本文在变换时窗统计能量比法基础上进行了改进,提出了双约束变换时窗统计能量比法。

首先,应用变换时窗统计能量比法原理,对地震记录进行初步的初至拾取。对于时窗变化范围Mi来说,每一个Mi值都对应一个当前时窗下拾取得到的初至 ti'值, ti'为当前地震道拾取结果中统计次数最大值对应的初至时刻,理论上只要拾取结果的统计次数达到某一精度,那么按照统计学原理这个拾取结果即是有效的。因此设立统计次数约束阈值R:

R=a×n,

式中,n表示变窗过程中不同时窗的个数,a为调整因子表示统计精度,调整因子a的取值范围为(0,1)。式(3)的意义可以理解为:每一种窗口下都需要遍历一次地震记录并得到一个拾取结果,则n个不同时窗就会得到不同时窗下的n个拾取结果。依据统计学原理,如果要获取准确度较高的拾取结果,认为当某一个拾取结果出现的次数大于阈值R,即该拾取结果的统计精度达到a,认为该道拾取结果可信度较高。

对于不同的地震数据,阈值R的取值不尽相同,这主要取决于如何调整统计精度a。统计精度a的取值可以按如下方法进行测试:对于一道地震记录,将每个时窗下的拾取结果进行输出并统计每个结果出现的次数,找到出现次数最多的拾取值,并将该结果出现的次数记为N,则调整因子a≈N/n。当然,也可以多试算几道地震记录,最终找到适合的调整因子。按照上述原理,将统计次数大于阈值R的各地震道记录下来记为优势道。优势道输出的个数可以通过阈值R来调节,R值越接近n,输出的优势道个数越少。

如果经阈值R约束后只得到一个优势道如图2a所示,以优势道x0( tx0)为例。经过阈值R的约束,第x0道拾取的初至为 tx0。由于相邻道间的初至位置相差较小,故以 tx0为基础考虑各地震道间初至的走时关系,分别对第(x0-1)道及(x0+1)道施加拾取范围约束Z,如图2b所示,加入约束范围Z相当于在初至波上、下各画出一条拾取约束线。对上述优势道x0( tx0)设置拾取范围上限为 tx0+Z下限为 tx0-Z(Z为约束范围,拾取范围上下限也可以取值Z的倍数),进而在设置的约束范围内对(x0-1)道及(x0+1)道应用变换时窗统计能量比法结合阈值R进行拾取求解,并以得到的(x0-1)道及(x0+1)道拾取结果 tx0-1及 tx0+1,继续结合约束限制Z对(x0-2)道及(x0+2)道拾取范围进行约束,其约束上限为 tx0-1+Z,约束下限为 tx0+1-Z。依次循环进行,最终得到整个地震记录的初至波到时拾取结果。

图2

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图2   拾取范围约束示意

a—拾取原理示意;b—约束范围示意

Fig.2   Calculation range constraint diagram

a—working principle diagram;b—constraint range diagram


拾取范围约束Z实际上是一个带有约束的经验值,Z的选取主要与两点因素有关:首先要保证邻道地震记录初至在施加的范围内,同时还需要满足计算过程中统计学原理对样本容量的要求。对于影响因素一,可以通过炮点与检波点距离进行估计[34]:设第i道地震记录的炮检距为Xi,地表速度为v,此时直达波接收时刻为Ti=Xi/v,则相邻道地震记录初至的到时间隔T=|Ti-Ti+1|。对于影响因素二主要考虑时窗的变化范围,时窗变化的次数即为最终的样本容量。为了满足样本容量的要求,可以根据经验给定一个合适的Z值。实际上由于两道地震记录走时差较小,Z值的选取主要取决于影响因素二。

本文对于拾取范围约束Z按照如下方式进行估计:首先,将优势道拾取的初至时刻记为ta,按照STA/LTA法原理寻找初至时刻后的次能量比值记为tb,用2|tb-ta|来估计初至波的延续时间记为tc,然后令Z取tc的倍数,这个倍数是需要按照不同的地震数据给出经验值。当然Z值也可以根据工作人员经验来人为给定,最终获得适用于当前数据的约束范围。

如果经阈值R约束后得到多个优势道,则提供两种计算策略。策略一:分别对每个优势道按照本文提出的方法求取初至,最后将每个优势道求取的结果叠加取平均值,作为最终的初至结果。策略二:在所有优势道中人工选取准确度较高的一道记为x0,以该道为基础按照本文方法进行计算,将其他优势道xl的初至位置作为调整因子 rxl。依照本文方法进行初至拾取,如果计算到xl道时,当调整因子 rxl不满足约束上、下限的限制Z时,则以该优势道的结果 rxl为基础重新结合约束限制Z继续计算,最终得到整个地震记录的初至波到时拾取结果。

2 模型试算分析

为验证本文提出的双约束变换时窗统计能量比法在初至拾取上的优势性,首先建立理论模型进行测试。应用弹性波正演模拟得到图3a所示26道地震记录,模拟信号主频为10 Hz,采样时间为600 ms。对模拟得到的26道原始地震记录分别应用STA/LTA法、变换时窗统计能量比法以及本文提出的双约束变换时窗统计能量比法进行初至拾取,其中STA/LTA法的短、长时窗比值设置为1:3,双约束变换时窗统计能量比法阈值设置为R=80、拾取约束Z=88。经测试3种方法在没有噪声的情况下均能准确地拾取地震波初至,拾取结果如图3b所示,3种方法对于理论数据的拾取结果完全相同,这说明STA/LTA法及其改进算法能够实现地震波初至的拾取,并且3种方法拾取结果相同也印证了本文提出方法的可行性。

图3

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图3   人工合成26道地震记录及不同方法的拾取结果

a—人工合成的原始地震记录;b—带有拾取结果的合成地震记录

Fig.3   Manual synthesis of 26 seismic records and calculation results of different methods

a—simulated microseimic record;b—microseismic record with pick up results


为验证本文提出方法的抗噪性,使用Seismic Unix地震数据处理系统中自带的工具包,对图3a中原始数据加入高斯白噪声,使图3a中地震记录信噪比为3。然后对加噪后的地震记录人工拾取初至,同时使用上述3种方法分别进行初至拾取,其中STA/LTA法的短、长时窗比值设置为1:3;本文提出的双约束变换时窗统计能量比法经计算后选用第9道地震数据作为最终优势道,应用上文提出方法的策略二,将优势道中第3道、14道、21道的结果作为调整因子,阈值设置为R=27、拾取限制Z=49,不同方法的拾取结果如图4所示。同时以人工拾取结果为参考,对上述3种方法的拾取结果计算相对误差,其相对误差分析结果如图5所示。

图4

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图4   加入高斯白噪声的合成地震记录及不同方法的拾取结果

a—信噪比为3的地震记录及人工拾取结果;b—STA/LTA法拾取结果;c—变换时窗统计能量比法拾取结果;d—双约束变换时窗统计能量比法拾取结果

Fig.4   Earthquake record with noise added and calculation results of different methods

a—seismic record and manual pick up result with signal to noise ratio is 3;b—STA/LTA method calculation result;c—conversion window statistical energy ratio calculation result;d—calculation result of conversion window energy ratio method based on statistical principle and double constraint


图5

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图5   不同方法拾取结果的相对误差分析

Fig.5   Relative error analysis graph of calculation results of different methods


考虑到实际资料中噪声类型较为复杂,选用某地区水平井水力压裂地面微地震监测到的实际背景噪声,将其加入到图3a模拟的地震记录中,得到加入背景噪声的模拟信号如图6a所示。使用上述3种方法对图6a中地震数据进行初至拾取。其中,STA/LTA法的短、长时窗比值设置为1:3,本文提出的双约束变换时窗统计能量比法经计算后选用第4道地震数据作为最终优势道,笔者应用上文提出方法的策略二,将优势道中第16道、22道的结果作为调整因子,阈值设置为R=25、拾取限制Z=30,3种方法的拾取结果如图6所示。

图6

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图6   加入实际背景噪声的人工合成地震记录及不同方法的拾取结果

a—加入实际背景噪声的人工合成地震记录;b—STA/LTA法拾取结果;c—变换时窗统计能量比法拾取结果;d—双约束变换时窗统计能量比法拾取结果

Fig.6   Synthetic seismic records with actual background noise and pick-up results from different methods

a—synthetic seismic record with actual background noise added;b—STA/LTA method calculation result;c—conversion window statistical energy ratio calculation result;d—calculation result of conversion window energy ratio method based on statistical principle and double constraint


图4a表示加入噪声后的地震记录及人工拾取结果、图4b为使用STA/LTA法对图4a地震记录的拾取结果、图4c为使用变换时窗统计能量比法对图4a地震记录的拾取结果、图4d为本文提出的双约束变换时窗统计能量比法对图4a地震记录的拾取结果。将上述3种方法对图4a中地震记录拾取初至得到的结果进行误差分析,图5为使用MATLAB 2014a软件制作的3种不同方法与人工拾取结果的相对误差分析对比图。图6a为将图3a中模拟的26道地震记录加入实际数据中背景噪声从而得到的地震数据、图6b为使用STA/LTA法对图6a地震记录进行初至拾取得到的结果、图6c为使用变换时窗统计能量比法对图6a地震记录进行初至拾取得到的结果、图6d为双约束变换时窗统计能量比法对图6a地震记录进行初至拾取得到的结果。

结合图3、图4、图6能够发现,对于信噪比较高的地震数据3种方法均能准确的拾取到地震波初至,但是在实际施工中由于种种因素地震数据的质量往往是较差的。通过分析图4、图6不同方法的拾取结果可以发现,STA/LTA法对噪声较为敏感,加入强噪声后可以发现STA/LTA法的拾取结果准确率降低,同时各地震道间拾取结果的连续性较差,抗噪性能低;对比分析图3a、图4c、图6c可以发现,变换时窗统计能量比法的拾取结果大多在有效信号的峰值上,拾取精度相比于STA/LTA法有一定改善,但是需要人为将拾取结果中明显的异常值剔除(图6a中13道、14道、19道拾取结果所示),并使用曲线拟合等方法来估计剔除道的初至;对比本文提出的双约束变换时窗统计能量比法,如图 4d、图6d所示,其拾取结果具有很好的连续性,抗噪声干扰能力强,观察图4、图6中第16~21道地震记录各方法的拾取结果可以发现,本文提出方法拾取到的地震波初至可信度更高。同时,从图5各方法相对误差分析中可以看到,本文提出方法的拾取结果相对误差较低,拾取精度明显优于其它两种方法,更加适用于信噪比较低的微地震数据。

3 实际资料应用

为了进一步验证本文提出的双约束变换时窗统计能量比法在实际数据中的应用效果,同时选用两种不同的实际地震数据进行方法测试,图7a为松辽盆地地区某工区三维地震数据中一炮原始地震数据,图7b为某地区水平井水力压裂地面微地震监测到的实际数据。

首先,在松辽盆地地区某工区三维地震数据中随机抽取一炮原始地震数据如图7a所示,该数据共95道,采样率为1 ms,采样时间为2 s。使用变换时窗统计能量比法及本文提出的双约束变换时窗统计能量比法对该数据进行初至拾取。其中,按照上文提出的阈值门槛R及拾取限制Z的试取法则给定该数据的试验参数,统计精度a=0.8、阈值R=40、拾取范围Z=85。

图7

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图7   实际地震数据

a—地表接收数据;b—微地震监测数

Fig.7   Actual seismic data

a—surface receiving data;b—micro seismic monitoring data


不同方法的拾取结果如图8a、图8b所示。分析图8中两种方法的拾取结果可以看到,变换时窗统计能量比法的拾取结果有少量误拾,并且此方法拾取结果大多偏向初至波的能量极值点,不能准确地拾取到初至波的到时时刻,拾取精度不高;对比本文提出的双约束变换时窗统计能量比法,对于该实际数据拾取结果没有出现误拾现象,各道之间拾取结果较为连续,拾取精度更高。

图8

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图8   不同方法的拾取结果

a—变换时窗统计能量比法拾取结果;b—双约束变换时窗统计能量比法拾取结果

Fig.8   Pick-up results from different methods

a—conversion window statistical energy ratio calculation result;b—calculation result of conversion window energy ratio method based on statistical principle and double constraint


其次,选用了某地区水平井水力压裂地面微地震监测得到的实际数据,采样率为2 ms,采样时间为60 s。选用第五段压裂地面微地震监测实际数据,如图7b所示为第五段压裂的原始微地震记录。图7b方框内显示为一组微地震事件,截取方框内21道微地震数据,使用变换时窗统计能量比法及本文提出的双约束变换时窗统计能量比法对该事件进行初至拾取,拾取结果如图9a、图9b所示。对于该实际数据,变换时窗统计能量比法拾取结果出现了明显的误拾情况,并且拾取结果大多在初至波的峰值上,各地震道拾取结果差异较大,拾取精度较低;对比本文方法,按照上文提出的阈值门槛R及拾取限制Z的试取法则给定该数据的试验参数,统计精度a=0.7、阈值R=20、拾取范围Z=70。由于对地震记录施加了统计阈值限制及拾取范围约束,拾取结果得到明显的改善。

图9

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图9   不同方法的拾取结果

a—变换时窗统计能量比法拾取结果;b—双约束变换时窗统计能量比法拾取结果

Fig.9   Pick-up results from different methods

a—conversion window statistical energy ratio calculation result;b—calculation result of conversion window energy ratio method based on statistical principle and double constraint


结合图7、图8、图9可见,本文提出方法对不同的实际资料应用效果显著,适应性较强,能够较精确地拾取到地震波初至,具有较高的实用价值。

4 结论

地震数据的初至拾取是地震勘探中数据预处理的关键步骤。对于微地震数据来说,初至拾取的结果更是直接影响震源定位的精度和最终的成果解释。随着地面微地震监测技术的广泛应用,在实际资料的处理过程中,急需一种能够实现拾取精度高、抗噪性能好的初至拾取方法。本文在变换时窗统计能量比法的基础上进行方法改进,在应用统计学规律的同时,设置阈值门槛R求取可信度高的优势道,结合拾取范围约束Z以及多种拾取策略逐道计算,最终实现地震记录的初至拾取。利用该方法对松辽盆地某工区三维地震数据及某地区水平井水力压裂地面微地震监测数据进行初至拾取,取得了较好的拾取效果。综上所述,该方法无论在不同信噪比的理论数据还是实际数据的应用过程中均取得了较好的拾取结果,具有较强的抗噪性能。

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DOI:10.6038/pg20130518      Magsci     [本文引用: 1]

地震学研究中地震震相初至拾取处于基础而又关键的环节,其拾取速度和精度直接影响其在地震精确定位、震相识别、震源机制及破裂过程、地震勘探以及地震层析成像中的应用效率和精度.早期的震相初至拾取是人工的、非实时分析;随着计算机技术、数据采集与处理技术以及定量或数字地震学的发展,震相初至拾取也由早期的人工分析过渡到人机互动的半自动分析以及后来的自动实时检测.目前,可以进行震相初至自动检测的方法有很多,但没有一种单独的方法能在所有不同类型震源、传播路径、接收方式以及噪声背景下对初至进行一致的拾取,且对于信噪比低、初动不明显或后期弱震相埋在早期震相尾波中、噪声与地震信号频率相近时的地震记录,初至自动拾取的效果通常都不理想.鉴于此,有必要对目前流行的各种震相初至自动识别检测方法进行归纳总结,以期对该领域的发展有所裨益.本文就目前常用的检测方法技术(如能量法、分形维数法、频率法、偏振法、自回归模型、相关法、小波变换、人工神经网络法等)按时间域、频率域、时频域、综合方法四大类进行了回顾、分析及综述.结果表明:寻找一种综合信号和噪声多特性差异及多震相特征量的方法可能是目前初至自动检测技术的发展方向,即充分利用信号与噪声在运动学、动力学、频谱特征、偏振属性等方面的显著差异性,形成一套同时具有算法简单、检测精度高、多道处理功能、可用于实时处理特征的综合识别检测方法技术.

Wang C X, Bai C Y, Wang X .

Review of automatic onset time picking for seismic arrivals

[J]. Progress in Geophysics, 2013,28(5):2363-2375.

Magsci     [本文引用: 1]

秦晅, 宋维琪 .

基于时窗能量比与互信息量的微地震初至拾取方法

[J]. 物探与化探, 2016,40(2):374-379.

DOI:10.11720/wtyht.2016.2.23      Magsci     [本文引用: 2]

<p>由于微地震事件本身能量弱、资料信噪比低的特点,初至快速精确的拾取成为其关键而又亟待解决的问题。针对微地震事件初至人工拾取效率低、时窗能量比方法拾取精度低的特点,从信息熵和互信息量的角度开始研究,根据互信息量是随机变量间统计依存性与关联程度的量度特点,研究了一种时窗能量比与互信息量准则的微地震初至拾取方法,首先以时窗能量比算法来粗略估计初至的到达时刻,然后再利用互信息量算法来准确的拾取初至,通过模型验证与实际数据的测试,并与常规方法对比分析,验证了方法的有效性与可行性,能够较为准确与快速地实现微地震初至的自动拾取。</p>

Qin X, Song W Q .

Automatic first arrival pickup method of microseismic event based on energy ratio and mutual information

[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2016,40(2):374-379.

Magsci     [本文引用: 2]

贾瑞生, 谭云亮, 孙红梅 , 等.

低信噪比微地震 P 波震相初至自动拾取方法

[J]. 煤炭学报, 2015,40(8):1845-1852.

[本文引用: 2]

Jia R S, Tan Y L, Sun H M , et al.

Method of automatic detection on micro-seismic P-arrival time under low signal to noise ratio

[J]. Journal of China Coal Society, 2015,40(8):1845-1852.

[本文引用: 2]

张唤兰, 朱光明, 王云宏 .

基于时窗能量比和AIC的两步法微震初至自动拾取

[J]. 物探与化探, 2013,37(2):269-273.

DOI:10.11720/j.issn.1000-8918.2013.2.17      Magsci     [本文引用: 5]

传统的微地震数据震源定位算法依赖于波至时间的拾取。由于微地震数据量较大且信噪比较低,手动拾取纵波和横波的波至时间很耗时,且引入的人为误差不易控制。笔者在分析已有方法特点的基础上,给出一种较快捷、准确的两步法微地震初至自动拾取方法。该方法首先使用时窗能量比法识别微震事件并大致确定波至时间,然后使用局部AIC精确拾取波至时间。与常规时窗能量比法相比,该方法减弱了时窗大小对拾取精度的影响;与常规的AIC法相比,由于只在局部使用AIC,避免了在低信噪比情况下AIC会出现多个局部极小从而难以准确拾取的问题,同时也提高了拾取效率。最后通过野外实际微地震数据进行了测试,分析了该方法的性能,验证了该方法的有效性和实用性。

Zhang H L, Zhu G M, Wang Y H .

Automatic microseismic event de-tection and picking method

[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2013,37(2):269-273.

Magsci     [本文引用: 5]

McEvilly T V, Majer E L .

ASP:An automated seismic processor for microearthquake networks

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Practical implementation of non-linear time series methods:the TISEAN package

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谭玉阳, 于静, 冯刚 , 等.

微地震事件初至拾取 SLPEA 算法

[J]. 地球物理学报, 2016,59(1):185-196.

[本文引用: 1]

Tan Y Y, Yu J, Feng G , et al.

Arrival picking of microseismic events using the SLPEA algorithm

[J]. Chinese J.Geophys.(in Chinese), 2016,59(1):185-196.

[本文引用: 1]

孙印, 潘素珍, 刘明军 .

天然地震识别与震相自动拾取技术进展

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Sun Y, Pan S, Liu M .

Seismic Phase Identification Associated with the Automatic Pickup Technology and Its Application

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Akaike information criterion applied to detecting first arrival times on microseismic data

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田优平, 赵爱华 .

基于小波包和峰度赤池信息量准则的P波震相自动识别方法

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Tian Y P, Zhao A H .

Automatic identification of P-phase based on wavelet packet and Kurtosis-AIC method

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冯智慧, 刘财, 冯晅 , 等.

基于高阶累积量一维切片的地震信号初至自动拾取方法

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Feng Z H, Liu C, Feng W , et al.

A Method of automatic first arrival extraction based on one-Dimensional slice of cross-fourth-order cumulants

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陈昕, 李新安, 刘威序 , 等.

基于S变换的初至拾取方法及应用

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Chen X, Li X A, Liu W X , et al.

Methodology and application of first break picking based on S-transform

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A k-mean characteristic function for optimizing STA/LTA based detection of microseismic events

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利用能量比法拾取地震初至的一种改进方法

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An improved method for firstarrival pickup usingy ratio

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叶根喜, 姜福兴, 杨淑华 .

时窗能量特征法拾取微地震波初始到时的可行性研究

[J]. 地球物理学报, 2008,51(5):1574-1581.

DOI:      Magsci     [本文引用: 1]

<FONT face=Verdana>微地震（MS）波初始到时的自动拾取是MS监测数据处理的关键技术之一，也是实现MS震源自动定位的技术难点.本文在MS震源定位结果反演与推断的研究基础上，对不同类型MS波的到时点特征进行了分析与描述，并对不同时窗长度下能量特征值的变化规律进行了研究，提出了控制时窗移动范围和确定时窗长度自适应参数的具体方法，利用建立的MS波初始到时点特征的模式识别库，对拾取的到时进行模式归类、定量评价和匹配，提高了自动拾取结果的可靠性.研究结果表明，对典型的信噪比高的MS波，到时自动拾取的结果与手工拾取的结果基本一致；对无量纲大振幅的MS波，到时自动拾取结果的可靠性要高于手工拾取，对信噪比低和到时点不清晰的MS波自动拾取的可靠性较低.</FONT>

Ye G X, Jiang F X, Yang S H .

Possibility of automatically picking first arrival of microseismic waveby energy eigenvalue method

[J]. Chinese J Geophys.(in Chinese), 2008,51(5):1574-1581.

Magsci     [本文引用: 1]

吴治涛, 李仕雄 .

STA/LTA算法拾取微地震事件P波到时对比研究

[J]. 地球物理学进展, 2010,25(5):1577-1582.

DOI:10.3969/j.issn.1004-2903.2010.05.007      Magsci     [本文引用: 1]

本文将HZ-MS48微地震采集仪监测的实际数据,利用STA/LTA算法来识别微地震事件P波到时.比较了在不同STA(短时窗平均值)情况下对拾取精度和结果的影响.结果表明:此算法确定信噪比比较高的微地震事件是非常有效的,能精确拾取P波到时.利用5ms、10ms、20ms三种不同的短时窗处理数据,发现对P波拾取的敏感程度不同,短时窗的值越大,拾取P波的敏感性越低,拾取精度降低,触发的阈值应随着短时窗的增加而减小.

Wu Z T, Li S X .

Comparison of STA/LTA P-pickers for micro seismic monitoring

[J]. Progress in Geophysics, 2010,25(5):1577-1582.

Magsci     [本文引用: 1]

张伟, 王海, 李洪臣 , 等.

用变换时窗统计能量比法拾取地震初至波

[J]. 物探与化探, 2009,33(2):178-180.

Magsci     [本文引用: 4]

<p>基于地震道时窗属性特征，对地震波初至拾取能量比法进行系统的研究，比较了固定、滑动和变换时窗能量比法的原理及应用效果。研究表明，固定和滑动时窗能量比法的处理效果较差，在拾取过程中对某些特殊点的处理上存在误差较大；而采用变换时窗长度统计法后，初至曲线的同向轴变的更加光滑，拾取异常点的情况大为减少，从而有效的提高拾取的精度。</p>

Zhang W, Wang H, Li H C , et al.

Theapplication of statist energy ratio of transform timewindowsto thepickup of seism ic first arrival wave

[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2009,33(2):178-180.

Magsci     [本文引用: 4]

郑江龙, 许江 .

能量差法拾取直达波初至的应用研究

[J]. 工程地球物理学报, 2013,10(6):834-839.

[本文引用: 1]

Zheng J L, Xu J .

The research of first break time picking based on energy D-value

[J]. Chinese Journal of Engineering Geophysics, 2013,10(6):834-839.

[本文引用: 1]

吕世超, 宋维琪, 刘彦明 , 等.

利用偏振约束的能量比微地震自动识别方法

[J]. 物探与化探, 2013,37(3):488-493.

DOI:10.11720/j.issn.1000-8918.2013.3.20      Magsci     [本文引用: 1]

<p>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&mdash;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。</p>

Lv S C, Song W Q, Liu Y M , et al.

The polarization constrained LTA/STA method for automatic detectuon of microseosmic

[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2013,37(3):488-493.

Magsci     [本文引用: 1]

陈金焕, 曹永生, 孙成龙 , 等.

基于二分法的地震波初至自动拾取算法

[J]. 地球物理学进展, 2015,30(2):688-694.

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Chen J H, Cao Y S, Sun C L , et al.

The algorithm for automatic first-breaks picking on seismic traces based on dichotomy

[J]. Progress in Geophysics, 2015,30(2):688-694.

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刘晓明, 赵君杰, 彭平安 , 等.

有效微震信号自动识别技术研究

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Liu X M, Zhao J J, Peng P A , et al.

Research on Automatic Recognizing of the Effective Microseismic Signals

[J]. Goid Science and Technobgy, 2017,25(3):84-91.

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刘百红, 李建华, 郑四连 , 等.

基于局部相似属性的初至自动拾取

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Liu B H, Li J H, Deng S L , et al.

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