地面微地震有源噪聲自動(dòng)識(shí)別與匹配壓制方法

刁　瑞　吳國(guó)忱　尚新民　芮擁軍　崔慶輝

(①中國(guó)石油大學(xué)(華東)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東青島 266555； ②中國(guó)石化勝利油田分公司物探研究院，山東東營(yíng) 257022)

1　引言

由于頁巖氣、頁巖油和煤層氣等非常規(guī)油氣儲(chǔ)層具有低孔隙度、低滲透率的物性特征，決定了其具有較大的開采難度[1，2]。非常規(guī)儲(chǔ)層水力壓裂改造技術(shù)成為提高油氣采收率的主要手段，特別是針對(duì)頁巖氣、頁巖油和煤層氣等非常規(guī)油氣資源，致密儲(chǔ)層的水力壓裂改造具有十分重要的作用和意義，微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)則被用于評(píng)價(jià)壓裂效果[3，4]。地面陣列式微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)采用多條測(cè)線數(shù)千個(gè)檢波器排列。基于星型排列的地面微地震監(jiān)測(cè)采用超過1000道、6000～24000個(gè)檢波器，測(cè)線排列長(zhǎng)度為2～10km。在地表進(jìn)行微地震監(jiān)測(cè)，具有監(jiān)測(cè)范圍廣、數(shù)據(jù)采集量大等特點(diǎn)。相對(duì)井中微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)而言，地面微地震數(shù)據(jù)具有噪聲干擾嚴(yán)重、信噪比低、事件識(shí)別難度大的特點(diǎn)。劉玉海等[5]利用相鄰道信號(hào)之間的相關(guān)性，提出了一種基于隨機(jī)信號(hào)統(tǒng)計(jì)理論的互相關(guān)檢測(cè)方法。張旭亮等[6]利用K-L變換從多道微地震記錄中提取微地震信號(hào)，去除隨機(jī)噪聲和相干噪聲。趙翠霞等[7]基于正余弦加權(quán)逼近法實(shí)現(xiàn)了工頻干擾的自動(dòng)識(shí)別與壓制，有效提高了地震資料的品質(zhì)。刁瑞等[8，9]將改進(jìn)S變換引入微地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的去噪處理，有效分離了微地震信號(hào)分量與噪聲干擾分量； 并基于陣列式微地震數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)，利用互相關(guān)的盲源分離去噪方法壓制隨機(jī)噪聲干擾。賈瑞生等[10]基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解及獨(dú)立成分分析提出了一種微地震信號(hào)降噪方法。李會(huì)儉等[11]將多尺度形態(tài)學(xué)理論應(yīng)用于弱信號(hào)分析和識(shí)別，通過分析不同尺度下的信號(hào)特征，估計(jì)并檢測(cè)出微弱信號(hào)和噪聲。宋維琪等[12]研究了地面微地震資料τ-p變換去噪方法，增強(qiáng)了地面微地震事件的辨識(shí)度。崔慶輝等[13]針對(duì)微地震數(shù)據(jù)信噪比低的特點(diǎn)，聯(lián)合應(yīng)用多種噪聲壓制技術(shù)，明顯提高了微地震信號(hào)的信噪比。

在進(jìn)行地面微地震監(jiān)測(cè)采集過程中，由于地表各種不利因素的影響，微地震數(shù)據(jù)中強(qiáng)能量的地面有源噪聲非常多，包括井場(chǎng)噪聲、鉆機(jī)噪聲、建筑工地噪聲、車輛噪聲、風(fēng)噪、人步行和物體墜落噪聲等。壓裂井場(chǎng)噪聲以典型的面波方式傳播，向兩側(cè)逐漸衰減。車輛噪聲是典型的寬頻瞬變?cè)肼?，噪聲振幅具有由小變大、再變小的特征。人步行或物體墜落是典型的窄頻穩(wěn)定噪聲源，人步行引起的噪聲幾乎為固頻信號(hào)，形成單一頻率的尖脈沖[14]。儲(chǔ)層壓裂改造產(chǎn)生的震源能量相對(duì)較弱，各類地面有源噪聲的能量強(qiáng)，嚴(yán)重影響微地震數(shù)據(jù)的信噪比，微地震事件湮沒在噪聲中，增加了微地震事件的識(shí)別難度。必須通過針對(duì)性的地面有源噪聲壓制處理手段，提高微地震數(shù)據(jù)的信噪比，以保證微地震震源點(diǎn)的定位精度。在充分分析微地震噪聲特征基礎(chǔ)上，根據(jù)地面有源噪聲與微地震事件在能量、頻率、傳播速度及源位置不同的特點(diǎn)，提出了一種地面微地震有源噪聲自動(dòng)識(shí)別與匹配壓制方法。在長(zhǎng)短時(shí)窗能量比和微地震量板聯(lián)合自動(dòng)識(shí)別有源噪聲的基礎(chǔ)上，進(jìn)行噪聲源位置和傳播速度三維最優(yōu)并行搜索，確定有源噪聲的位置坐標(biāo)和噪聲傳播速度后，根據(jù)噪聲標(biāo)準(zhǔn)道和自適應(yīng)匹配算子，對(duì)地面有源噪聲進(jìn)行自適應(yīng)壓制處理。

2　有源噪聲特征分析

對(duì)非常規(guī)油氣藏進(jìn)行儲(chǔ)層壓裂改造，水力壓裂造成的巖石破裂類似于一個(gè)震源，而震源能量相對(duì)較弱，微地震信號(hào)從震源點(diǎn)向上傳播過程中，能量又被地層強(qiáng)烈吸收衰減，造成微地震事件湮沒在噪聲干擾里。只有通過分析地面有源噪聲的特征，才能針對(duì)性地壓制噪聲，達(dá)到提高微地震數(shù)據(jù)品質(zhì)的目的。微地震事件與地面有源噪聲的特征差別主要包括以下幾個(gè)方面。

(1)源位置差異。壓裂段位于地下儲(chǔ)層中，微地震事件由震源點(diǎn)從下向上傳播；而噪聲源位于地面，噪聲干擾沿地面或高速層頂界面?zhèn)鞑?。由于微地震事件和噪聲干擾的傳播路徑不同，到達(dá)不同站點(diǎn)的時(shí)差存在差異，微地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中微地震事件的同相軸形態(tài)與噪聲干擾的同相軸形態(tài)不同，即不同站點(diǎn)之間的旅行時(shí)差存在特征差異。

(2)傳播速度差異。壓裂造成的震源點(diǎn)由深層往地面?zhèn)鞑?，地下介質(zhì)的傳播速度較高，而地面噪聲源主要是通過地面或沿高速層頂界面滑行，傳播速度為低降速帶或高速層速度，巖石破裂地震波和有源噪聲的傳播速度存在明顯的差異，即微地震數(shù)據(jù)中的同相軸斜率或視速度不同。

(3)能量差異。從整體上分析，微地震事件和地面有源噪聲的能量差異明顯，儲(chǔ)層壓裂造成的巖石破裂能量相對(duì)較弱，地面有源噪聲的能量相對(duì)較強(qiáng)。另外，地面站點(diǎn)在壓裂段上方的地面均勻分布，壓裂震源點(diǎn)到達(dá)地面站點(diǎn)時(shí)能量基本相當(dāng)或差別不大。地面有源噪聲在傳播過程中衰減劇烈，距離較近的地面站點(diǎn)中噪聲能量較強(qiáng)，而距離較遠(yuǎn)的地面站點(diǎn)中噪聲能量較弱，即地面有源噪聲在不同距離的站點(diǎn)中能量差異明顯。

(4)頻率差異。由于檢波器布設(shè)于地面，地震波經(jīng)歷了地層的吸收衰減作用，地面微地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的頻率范圍是5～100Hz。車輛、建筑工地等噪聲具有寬頻特征，人步行、鉆機(jī)干擾、工頻干擾等具有窄頻或單頻特征，其中工頻干擾的頻率約為50Hz。

圖1為地震波傳播路徑及模擬旅行時(shí)記錄，可見震源點(diǎn)位于地下儲(chǔ)層附近，微地震信號(hào)從下向上傳播，地面站點(diǎn)均勻分布，微地震事件具有雙曲線特征，并且地層速度相對(duì)較高，站點(diǎn)之間的旅行時(shí)差相對(duì)較小。噪聲源位于地面，有源噪聲沿高速層頂界面?zhèn)鞑ィ?dāng)噪聲源位于所有站點(diǎn)一側(cè)時(shí)，地面有源噪聲具有線性特征(圖1b)； 當(dāng)噪聲源位于站點(diǎn)中部時(shí)，地面有源噪聲具有雙曲線特征，并多次重復(fù)出現(xiàn)(圖1c)。由于正演模擬過程中沒有考慮吸收衰減，因此不存在能量差異，但從旅行時(shí)和傳播速度兩個(gè)方面的差異特征，可有效識(shí)別微地震事件和地面有源噪聲。

3　方法原理

根據(jù)微地震事件與地面有源噪聲在旅行時(shí)、傳播速度、能量和頻率方面的差異，提出了微地震有源噪聲自動(dòng)識(shí)別與匹配壓制方法，對(duì)微地震數(shù)據(jù)中的有源噪聲進(jìn)行自適應(yīng)壓制。該技術(shù)的主要思路為：首先，在微地震數(shù)據(jù)中地面有源噪聲發(fā)育的情況下，采用長(zhǎng)短時(shí)窗能量比方法和微地震量板自動(dòng)識(shí)別有源噪聲，得到微地震數(shù)據(jù)中有源噪聲的到達(dá)時(shí)刻；其次，根據(jù)疊加能量最強(qiáng)的原則，沿地面進(jìn)行三維最優(yōu)并行搜索，同時(shí)確定有源噪聲的位置坐標(biāo)和噪聲傳播速度；然后，根據(jù)有源噪聲的位置坐標(biāo)和傳播速度，計(jì)算每一個(gè)微地震站點(diǎn)的動(dòng)校正量，并對(duì)微地震數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)校正處理；最后，根據(jù)有源噪聲標(biāo)準(zhǔn)道和自適應(yīng)匹配算子，對(duì)有源噪聲進(jìn)行自適應(yīng)壓制處理，并進(jìn)行反動(dòng)校正處理，可得到高信噪比的微地震數(shù)據(jù)。該技術(shù)主要包括三方面內(nèi)容： ①長(zhǎng)短時(shí)窗能量比與微地震量板聯(lián)合的有源噪聲自動(dòng)識(shí)別； ②源位置和傳播速度三維最優(yōu)并行搜索； ③基于匹配算子的有源噪聲自適應(yīng)壓制。

3.1　長(zhǎng)短時(shí)窗能量比與微地震量板聯(lián)合自動(dòng)識(shí)別

微地震數(shù)據(jù)初至拾取方法主要有長(zhǎng)短時(shí)窗能量比方法(STA/LTA)、偏振分析及AIC方法、初至拾取SLPEA算法、基于匹配追蹤的事件識(shí)別方法等[15，16]。劉勁松等[17]利用改進(jìn)的高階累計(jì)量的偏度和峰度計(jì)算方法識(shí)別微地震事件。王鵬等[18]利用Renyi熵值表示微地震數(shù)據(jù)的時(shí)頻稀疏程度，建立以低熵值的道數(shù)為判別閾值的目標(biāo)函數(shù)，在對(duì)低信噪比數(shù)據(jù)處理中取得了較好效果。長(zhǎng)短時(shí)窗能量比方法根據(jù)環(huán)境噪聲振幅弱、頻帶寬，而地震信號(hào)振幅強(qiáng)、頻帶窄的特點(diǎn)，通過計(jì)算一長(zhǎng)一短兩個(gè)滑動(dòng)時(shí)窗內(nèi)地震記錄特征函數(shù)的平均值之比作為拾取地震波初至到時(shí)的依據(jù)。短時(shí)窗能量值的變化往往比長(zhǎng)時(shí)窗能量值的變化快，用短時(shí)窗能量平均值與長(zhǎng)時(shí)窗能量平均值進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)存在能量變化的情況下，長(zhǎng)短時(shí)窗能量比值就會(huì)明顯增大。

僅僅依賴地震信號(hào)與環(huán)境噪聲的差異進(jìn)行初至拾取是比較困難的，長(zhǎng)短時(shí)窗能量比方法無法區(qū)分微地震事件和噪聲干擾，應(yīng)該綜合考慮多種特征差異自動(dòng)識(shí)別噪聲干擾。在此基于能量、傳播速度和源位置不同的特點(diǎn)，采用長(zhǎng)短時(shí)窗能量比與微地震量板聯(lián)合的方法，自動(dòng)識(shí)別微地震數(shù)據(jù)中的有源噪聲。長(zhǎng)短時(shí)窗能量比方法從能量差異的方面進(jìn)行判別，微地震量板從旅行時(shí)差異或時(shí)距關(guān)系的方面進(jìn)行進(jìn)一步識(shí)別，最終實(shí)現(xiàn)有源噪聲的自動(dòng)識(shí)別。

相對(duì)于微地震事件而言，地面有源噪聲能量相對(duì)較強(qiáng)，可利用長(zhǎng)短時(shí)窗能量比方法確定微地震數(shù)據(jù)中噪聲源分布范圍。在利用能量比法進(jìn)行計(jì)算時(shí)，由于初至點(diǎn)以上少數(shù)樣點(diǎn)的幅值有可能接近零，為了避免這種情況的發(fā)生，同時(shí)提高初至拾取的穩(wěn)定性，對(duì)前后時(shí)窗的能量分別加一個(gè)穩(wěn)定因子。穩(wěn)定能量比方法的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(1)

式中：f(t)為微地震數(shù)據(jù)；T1為短時(shí)窗開始時(shí)刻；T0為短時(shí)窗與長(zhǎng)時(shí)窗交叉時(shí)刻；T2為長(zhǎng)時(shí)窗結(jié)束時(shí)刻；A為振幅因子；α為穩(wěn)定系數(shù)(可據(jù)不同數(shù)據(jù)調(diào)整)。設(shè)置一個(gè)自動(dòng)識(shí)別能量閾值θ，當(dāng)長(zhǎng)短時(shí)窗能量比值大于θ時(shí)，則該時(shí)刻就存在有源噪聲，當(dāng)長(zhǎng)短時(shí)窗能量比值小于θ時(shí)，則不存在有源噪聲。

長(zhǎng)短時(shí)窗能量比方法識(shí)別的信號(hào)中可能包含微地震事件，需要通過微地震量板做進(jìn)一步識(shí)別。微地震量板即為震源點(diǎn)到所有接收點(diǎn)的走時(shí)形態(tài)，儲(chǔ)層壓裂產(chǎn)生的震源點(diǎn)位于射孔點(diǎn)周圍，以射孔點(diǎn)為震源點(diǎn)，在建立速度模型和已知站點(diǎn)分布的基礎(chǔ)上，通過正演模擬方法獲得震源點(diǎn)的正演記錄，其中壓裂震源點(diǎn)的走時(shí)形態(tài)與微地震量板基本一致。計(jì)算識(shí)別信號(hào)與微地震量板之間的均方差值φ，通過差值φ與微地震量板因子δ識(shí)別信號(hào)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(2)

Y-8HF井鉆遇砂礫巖油藏，位于東營(yíng)凹陷北部陡坡帶東翼，主力含油層系為沙四段砂礫巖體，是常溫、常壓、低孔隙度、特低滲油藏。對(duì)砂礫巖體致密油藏進(jìn)行儲(chǔ)層壓裂改造，Y-8HF井共13段壓裂，壓裂方向近為南北向，微地震監(jiān)測(cè)站點(diǎn)位于壓裂段上方。圖2a為兩個(gè)壓裂段的微地震量板，是根據(jù)兩個(gè)壓裂段的射孔點(diǎn)分別計(jì)算得到的，藍(lán)色線是第2壓裂段，紅色線是第5壓裂段； 圖2b為微地震量板與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比，微地震量板與實(shí)際數(shù)據(jù)的旅行時(shí)形態(tài)基本一致(即φ<δ)，該識(shí)別信號(hào)在微地震事件集合內(nèi)，最終確定為微地震事件，避免了微地震事件的誤拾和有源噪聲的漏拾。

圖2　不同壓裂段微地震量板(a)及與實(shí)際地震數(shù)據(jù)(b)的對(duì)比

3.2　源位置和傳播速度三維最優(yōu)并行搜索

噪聲源分布于地面或近地表，因此可以沿地面的大地坐標(biāo)X和Y方向進(jìn)行噪聲源位置的搜索；有源噪聲沿高速頂界面?zhèn)鞑ィ梢源_定傳播速度v的范圍?；谝陨蟽煞矫娴囊蛩兀梢赃M(jìn)行噪聲源位置(X和Y)和噪聲傳播速度(v)的同時(shí)最優(yōu)搜索，并引入并行搜素機(jī)制，大幅提高運(yùn)算效率。

首先，利用不同噪聲源位置和傳播速度對(duì)自動(dòng)識(shí)別的有源噪聲做動(dòng)校正處理，消除傳播距離造成的時(shí)差；其次，計(jì)算動(dòng)校正后數(shù)據(jù)疊加能量，可得三維疊加能量譜，計(jì)算中采用并行算法可大幅提高效率；最后，求取疊加能量譜最大值，該最大值對(duì)應(yīng)的位置和傳播速度即為最優(yōu)搜索結(jié)果。

沿大地坐標(biāo)X方向平均剖分為M個(gè)網(wǎng)格，用i表示網(wǎng)格序號(hào)(i=0,1,2,…,M)； 沿大地坐標(biāo)Y方向?qū)⒌乇砥骄史譃镹個(gè)網(wǎng)格，用j表示網(wǎng)格序號(hào)(j=0,1,2,…,N)； 將速度掃描范圍均分為Z個(gè)速度值，用k表示速度掃描序號(hào)(k=0,1,2,…,Z)。最優(yōu)并行搜素疊加能量數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(3)

式中：S為地面檢波器站點(diǎn)總數(shù)；fp(t)為第p個(gè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)；li,j,p為第i×j個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)到第p個(gè)站點(diǎn)傳播距離；li,j,min為第i×j個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)到所有站點(diǎn)最小距離；vk為第k個(gè)掃描速度值。對(duì)動(dòng)校正后的數(shù)據(jù)求取疊加能量，當(dāng)Ei,j,k值最大時(shí)，所對(duì)應(yīng)的第i×j個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)和掃描速度值vk即為最優(yōu)的噪聲源位置和傳播速度，最優(yōu)噪聲源網(wǎng)格點(diǎn)記為ib×jb，最優(yōu)噪聲傳播速度記為vbest。

3.3　基于匹配算子的有源噪聲自適應(yīng)壓制

利用確定的最優(yōu)噪聲源位置和傳播速度對(duì)微地震數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)校正處理，動(dòng)校正后有源噪聲同相軸表現(xiàn)為水平同相軸[19-21]，將各道數(shù)據(jù)疊加取均值可得到噪聲標(biāo)準(zhǔn)道[22]，在引入自適應(yīng)匹配算子的基礎(chǔ)上，對(duì)所有站點(diǎn)的有源噪聲進(jìn)行自適應(yīng)壓制。

有源噪聲標(biāo)準(zhǔn)道n(t)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(4)

式中：lib,jb,p為噪聲源所在網(wǎng)格到第p個(gè)站點(diǎn)的距離；lib,jb,min為噪聲源所在網(wǎng)格到所有站點(diǎn)中的最小距離；vbest為噪聲傳播速度。

以有源噪聲標(biāo)準(zhǔn)道n(t)為基準(zhǔn)，通過維納方程和Levinson算法進(jìn)行自適應(yīng)匹配，求得第p個(gè)站點(diǎn)的自適應(yīng)匹配算子hp(t)，然后從微地震數(shù)據(jù)中減掉有源噪聲，得到噪聲壓制后數(shù)據(jù)

(5)

4　模型試算及資料試處理

應(yīng)用微地震噪聲壓制方法，能有效提高微地震數(shù)據(jù)的品質(zhì)及微地震事件的定位精度[23]。 通過正演模擬數(shù)據(jù)驗(yàn)證方法的可行性，在模擬過程中采用Y-8HF井的實(shí)際微地震監(jiān)測(cè)觀測(cè)系統(tǒng)，該井儲(chǔ)層為致密砂礫巖體[24]。圖3a為Y-8HF井的地面微地震監(jiān)測(cè)站點(diǎn)分布示意圖，藍(lán)色線為地面臺(tái)站分布，共計(jì)約900個(gè)站點(diǎn)，南北方向分布范圍是1700m，東西方向分布范圍600m，黃色線為井軌跡，水平段位于靶點(diǎn)A和靶點(diǎn)B之間，由南向北共計(jì)13段壓裂；圖3b為地面噪聲源分布示意圖，噪聲源位于地面站點(diǎn)的東南方，坐標(biāo)為(5000m，1000m)，距離檢波器站點(diǎn)約為2～3km。

根據(jù)壓裂井區(qū)的地層特征，高速層速度采用2000m/s，對(duì)噪聲源的傳播特征進(jìn)行模擬，得到有源噪聲正演模擬結(jié)果(圖4a)；將正演模擬數(shù)據(jù)與實(shí)際微地震數(shù)據(jù)(圖4b)進(jìn)行對(duì)比，可見兩者的噪聲具有相同特征。由于噪聲源位于地面站點(diǎn)的東南方，且距離較遠(yuǎn)，地面有源噪聲具有線性特征，并且噪聲源具有一定的規(guī)律性，有源噪聲在微地震數(shù)據(jù)中重復(fù)出現(xiàn)，間隔時(shí)間約為500～600ms。

基于所有微地震站點(diǎn)數(shù)據(jù)的疊加能量最大原則， 沿地面有源噪聲分布范圍進(jìn)行三維最優(yōu)并行搜索，在搜索噪聲傳播速度的同時(shí)，計(jì)算有源噪聲分布范圍內(nèi)每一個(gè)位置點(diǎn)到達(dá)微地震站點(diǎn)的波至?xí)r間，根據(jù)對(duì)應(yīng)的波至?xí)r間對(duì)微地震數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)校正處理，并將動(dòng)校正處理后的所有道數(shù)據(jù)疊加，以求取每一個(gè)位置點(diǎn)的微地震數(shù)據(jù)疊加能量值，圖5為三維最優(yōu)并行搜索能量譜示意圖。

圖3　地面微地震監(jiān)測(cè)站點(diǎn)分布(a)及地面噪聲源分布(b)示意圖

圖4　有源噪聲正演模擬數(shù)據(jù)(a)與實(shí)際微地震數(shù)據(jù)(b)對(duì)比

當(dāng)某點(diǎn)的疊加能量值達(dá)到最大時(shí)，說明該點(diǎn)和對(duì)應(yīng)的噪聲傳播速度能最合理地消除由于傳播距離不同造成的正常時(shí)差，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)動(dòng)校正處理，該點(diǎn)即是有源噪聲的位置， 其對(duì)應(yīng)的傳播速度即是有源噪聲的傳播速度。圖6a為東西方向能量譜，圖6b為南北方向能量譜，圖6c為速度方向能量譜，通過三維最優(yōu)搜索得到噪聲源位置為(5000m，1000m)，噪聲傳播速度為2000m/s，與模型數(shù)據(jù)一致，驗(yàn)證了該方法的有效性。速度方向能量譜的聚焦性較差，顯示有源噪聲的疑似位置呈西北—東南方向分布，這是由于觀測(cè)系統(tǒng)的南北方向排列相對(duì)較長(zhǎng)，而東西方向排列相對(duì)較短，并且該有源噪聲位于排列的東南方向，距離較遠(yuǎn)，因此能量譜聚焦性相對(duì)較差。在進(jìn)行觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量將檢波器分散布設(shè)，以使各個(gè)方位角均勻分布，利于提高定位精度。

圖5　三維最優(yōu)并行搜索能量譜

根據(jù)地面有源噪聲位置坐標(biāo)、噪聲傳播速度及微地震監(jiān)測(cè)觀測(cè)系統(tǒng)坐標(biāo)，計(jì)算每一個(gè)微地震站點(diǎn)的動(dòng)校正量。將動(dòng)校正量代入微地震數(shù)據(jù)中，對(duì)微地震數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)校正處理，消除由于不同微地震監(jiān)測(cè)檢波器之間傳播距離不同造成的正常時(shí)差。圖7為動(dòng)校正處理前、后正演模擬數(shù)據(jù)，可見動(dòng)校正處理后地面有源噪聲同相軸基本是一條水平直線，所有道數(shù)據(jù)疊加能量即為最大值，說明三維最優(yōu)搜索確定的噪聲源位置和噪聲傳播速度是合理的。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證方法的可行性和有效性，對(duì)實(shí)際監(jiān)測(cè)微地震數(shù)據(jù)進(jìn)行噪聲壓制處理。圖8a為噪聲壓制前微地震數(shù)據(jù)， 其中包括正演模擬微地震事件和地面建筑工地有源噪聲，該噪聲源位于排列的一側(cè)，有源噪聲具有線性特征； 圖8b為地面有源噪聲壓制后微地震數(shù)據(jù)，從圖中可以看出，地面有源噪聲自適應(yīng)壓制技術(shù)可以有效地去除微地震數(shù)據(jù)中的地面有源噪聲，并不會(huì)損失有效信號(hào)，噪聲壓制效果較好。圖9a為實(shí)際監(jiān)測(cè)微地震數(shù)據(jù)，其中包含周期性的地面有源噪聲，該噪聲源位于排列的中部，有源噪聲具有雙曲特征，隨著傳播距離的增加，噪聲干擾明顯減弱，距離噪聲源較遠(yuǎn)的臺(tái)站幾乎接收不到噪聲干擾； 圖9b為噪聲干擾壓制后數(shù)據(jù)，地面有源噪聲得到了較好的壓制，數(shù)據(jù)信噪比明顯提升，有利于后續(xù)的微地震事件識(shí)別和精確定位。

圖6　東西方向(a)、南北方向(b)及速度方向(c)能量譜

圖7　動(dòng)校正處理前(a)、后(b)的模擬數(shù)據(jù)對(duì)比

圖8　模擬地面有源噪聲壓制前(a)、后(b)效果對(duì)比藍(lán)色箭頭指示微地震事件，紅色箭頭指示有源噪聲

圖9　實(shí)際地面有源噪聲壓制前(a)、后(b)效果對(duì)比紅色箭頭指示有源噪聲

4　結(jié)論與展望

微地震數(shù)據(jù)中地面有源噪聲較多，而儲(chǔ)層壓裂改造產(chǎn)生的震源能量相對(duì)較弱，微地震事件湮沒于噪聲中。在充分分析微地震噪聲特征基礎(chǔ)上，根據(jù)地面有源噪聲與微地震事件在能量、頻率、傳播速度及源位置等方面的差異，提出了一種地面微地震有源噪聲自動(dòng)識(shí)別與匹配壓制方法，獲得了高信噪比微地震數(shù)據(jù)。正演模擬數(shù)據(jù)和實(shí)際微地震數(shù)據(jù)去噪效果驗(yàn)證了該方法的實(shí)用性和有效性。

在微地震數(shù)據(jù)的有源噪聲自動(dòng)識(shí)別過程中，采用長(zhǎng)短時(shí)窗能量比與微地震量板相聯(lián)合的方法。雖然長(zhǎng)短時(shí)窗能量比方法無法確定強(qiáng)能量信號(hào)是有源噪聲還是微地震事件，但以微地震量板為準(zhǔn)則，進(jìn)行交互判斷和識(shí)別，避免了微地震事件的誤拾和有源噪聲的漏拾。通過三維最優(yōu)搜索同時(shí)確定地面噪聲源的坐標(biāo)位置和傳播速度，并引入并行搜索機(jī)制以大幅提高運(yùn)算效率。根據(jù)所獲地面噪聲源坐標(biāo)位置和傳播速度，在動(dòng)?；A(chǔ)上，通過自適應(yīng)匹配算子對(duì)有源噪聲進(jìn)行壓制處理，實(shí)現(xiàn)了有源噪聲的自適應(yīng)壓制。

隨著頁巖油氣、煤層氣等非常規(guī)資源的不斷開發(fā)和儲(chǔ)層壓裂改造技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)的需求越來越多。國(guó)內(nèi)微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)也取得迅速發(fā)展，如高靈敏度監(jiān)測(cè)儀器研發(fā)、觀測(cè)系統(tǒng)針對(duì)性設(shè)計(jì)、震源機(jī)制反演、三維速度模型優(yōu)化校正、精確定位和壓裂裂縫綜合解釋等，但還需持續(xù)深入研究和探索。微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)仍將是一個(gè)研究熱點(diǎn)，特別是地面與井中聯(lián)合監(jiān)測(cè)、地面臺(tái)站長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)、有纜地震與無纜節(jié)點(diǎn)聯(lián)合采集等技術(shù)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

感謝中國(guó)石化勝利油田分公司物探研究院微地震項(xiàng)目組的鼎力支持！

[1]劉振武,撒利明,楊曉等.頁巖氣勘探開發(fā)對(duì)地球物理技術(shù)的需求.石油地球物理勘探,2011,46(5)：810-820.

Liu Zhenwu,Sa Liming,Yang Xiao et al.Needs of geophysical technologies for shale gas exploration.OGP,2011,46(5)：810-820.

[2]刁瑞,吳國(guó)忱,尚新民等.三維地震與地面微地震聯(lián)合校正方法.地球物理學(xué)報(bào),2017,60(1)：283-292.

Diao Rui,Wu Guochen,Shang Xinmin et al.Joint correction method based on 3D seismic and surface microseismic data.Chinese Journal of Geophysics,2017,60(1)：283-292.

[3]孫龍德,撒利明,董世泰.中國(guó)未來油氣新領(lǐng)域與物探技術(shù)對(duì)策.石油地球物理勘探,2013,48(2)：317-324.

Sun Longde,Sa Liming,Dong Shitai.New challenges for the future hydrocarbon in China and geophysical technology strategy.OGP,2013,48(2)：317-324.

[4]刁瑞,吳國(guó)忱,崔慶輝等.地面陣列式微地震監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)研究.巖性油氣藏,2017,29(1)：104-109.

Diao Rui,Wu Guochen,Cui Qinghui et al.Key techniques for surface array microseismic monitoring.Lithologic Reservoirs,2017,29(1)：104-109.

[5]劉玉海,尹成,潘樹林等.基于互相關(guān)函數(shù)法的地面微地震信號(hào)檢測(cè)研究.石油物探,2012,51(6)：633-637.

Liu Yuhai,Yin Chen,Pan Shulin et al.Ground microseismic signal detection based on cross-correlation function.GPP,2012,51(6)：633-637.

[6]張旭亮,桂志先,王鵬等.基于K-L變換的微地震資料去噪的分析及應(yīng)用.工程地球物理學(xué)報(bào),2013,10(1)：81-84.

Zhang Xuliang,Gui Zhixian,Wang Peng et al.The analysis and application of micro-seismic data denoising based onK-Ltransform.Chinese Journal of Engineering Geophysics,2013,10(1)：81-84.

[7]趙翠霞,尚新民,刁瑞等.基于正余弦加權(quán)逼近法的50Hz工業(yè)干擾壓制方法.油氣地球物理,2015,13(4)：14-17.

Zhao Cuixia,Shang Xinmin,Diao Rui et al.Method to suppress 50Hz industrial noise based on sine and cosine weighted approximation.Petroleum Geophysics,2015,13(4)：14-17.

[8]刁瑞,單聯(lián)瑜,尚新民等.微地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)頻域去噪方法.物探與化探,2015,39(1)：112-117.

Diao Rui,Shan Lianyu,Shang Xinmin et al.The denoising method for microseismic monitoring data in time-frequency domain.Geophysical and Geochemical Exploration,2015,39(1)：112-117.

[9]刁瑞,吳國(guó)忱,尚新民等.地面陣列式微地震數(shù)據(jù)盲源分離去噪方法.物探與化探,2017,41(3)：521-526.

Diao Rui,Wu Guochen,Shang Xinmin et al.The blind separation denoising method for surface array micro-seismic data.Geophysical and Geochemical Exploration,2017,41(3)：521-526.

[10]賈瑞生,趙同彬,孫紅梅等.基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解及獨(dú)立成分分析的微震信號(hào)降噪方法.地球物理學(xué)報(bào),2015,58(3)：1013-1023.

Jia Ruisheng,Zhao Tongbin,Sun Hongmei et al.Microseismic signal denoising method based on empirical mode decomposition and independent component analysis.Chinese Journal of Geophysics,2015,58(3)：1013-1023.

[11]李會(huì)儉,王潤(rùn)秋,曹思遠(yuǎn)等.利用多尺度形態(tài)學(xué)識(shí)別微地震監(jiān)測(cè)中的弱信號(hào).石油地球物理勘探,2015,50(6)：1105-1111.

Li Huijian,Wang Runqiu,Cao Siyuan et al.Weak signal identification in microseismic monitoring with multi-scale morphology.OGP,2015,50(6)：1105-1111.

[12]宋維琪,劉太偉.地面微地震資料τ-p變換噪聲壓制.石油地球物理勘探,2015,50(1)：48-53.

Song Weiqi,Liu Taiwei.Surface microseismic noise suppression withτ-ptransform.OGP,2015,50(1)：48-53.

[13]崔慶輝,尹成,刁瑞等.地面微地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理難點(diǎn)及對(duì)策.油氣藏評(píng)價(jià)與開發(fā),2017,7(1)：7-13.

Cui Qinghui,Yin Cheng,Diao Rui et al.Difficulties and countermeasure of surface microseismic monitoring data processing.Reservoir Evaluation and Development,2017,7(1)：7-13.

[14]趙爭(zhēng)光,秦月霜,楊瑞召.地面微地震監(jiān)測(cè)致密砂巖儲(chǔ)層水力裂縫.地球物理學(xué)進(jìn)展,2014,29(5)：2136-2139.

Zhao Zhengguang,Qin Yushuang,Yang Zhaorui.Hydraulic fracture mapping for a tight sands reservoir by surface based microseismic monitoring.Progress in Geophysics,2014,29(5)：2136-2139.

[15]譚玉陽,于靜,馮剛等.微地震事件初至拾取SLPEA算法.地球物理學(xué)報(bào),2016,59(1)：185-196.

Tan Yuyang,Yu Jing,Feng Gang et al.Arrival picking of microseismic events using the SLPEA algorithm.Chinese Journal of Geophysics,2016,59(1)：185-196.

[16]曹俊海,顧漢明,尚新民.基于局部相關(guān)譜約束的多道匹配追蹤算法識(shí)別微地震信號(hào).石油地球物理勘探,2017,54(4)：704-714.

Cao Junhai,Gu Hanming,Shang Xinmin.Microseismic signal identification with multichannel matching pursuit based on local coherence spectrum constraint.OGP,2017,54(4)：704-714.

[17]劉勁松,王赟,姚振興.微地震信號(hào)到時(shí)自動(dòng)拾取方法.地球物理學(xué)報(bào),2013,56(5)：1660-1666.

Liu Jinsong,Wang Yun,Yao Zhenxing.On micro-seismic first arrival identification：A case study.Chinese Journal of Geophysics, 2013,56(5)：1660-1666.

[18]王鵬,常旭,王一博.基于時(shí)頻稀疏性分析法的低信噪比微震事件識(shí)別與恢復(fù).地球物理學(xué)報(bào),2014,57(8)： 2656-2665.

Wang Peng,Chang Xu,Wang Yibo.Automatic event detection and event recovery in low SNR microseismic signals based on time-frequency sparseness.Chinese Journal of Geophysics,2014,57(8)：2656-2665.

[19]刁瑞,胡曉婷,崔慶輝等.微地震監(jiān)測(cè)中等效速度定位精度分析及應(yīng)用.油氣藏評(píng)價(jià)與開發(fā),2015,5(1)：49-53.

Diao Rui,Hu Xiaoting,Cui Qinghui et al.Precision analysis and application of equivalent velocity in micro-seismic monitor.Reservoir Evaluation and Development,2015,5(1)：49-53.

[20]王維波,周瑤琪,春蘭.地面微地震監(jiān)測(cè)SET震源定位特性研究.中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2012,36(5)：45-54.

Wang Weibo,Zhou Yaoqi,Chun Lan.Characteristics of source localization by seismic emission tomography for surface based on microseismic monitoring.Journal

of China University of Petroleum,2012,36(5)：45-54.

[21]譚玉陽,何川,張洪亮等.基于初至旅行時(shí)差的微地震速度模型反演.石油地球物理勘探,2015,50(1)：54-59.

Tan Yuyang,He Chuang,Zhang Hongliang et al.Microseismic velocity model inversion based on moveouts of first arrivals.OGP,2015,50(1)：54-59.

[22]高少武,趙波,祝樹云等.余弦函數(shù)自適應(yīng)法識(shí)別與消除單頻干擾.石油地球物理勘探,2011,46(1)：64-69.

Gao Shaowu,Zhao Bo,Zhu Shuyun et al.Identification and suppression of single frequency interference by using cosine function adaptive method.OGP,2011,46(1)：64-69.

[23]王納申,張譯丹,黃家旋等.用微地震技術(shù)評(píng)價(jià)姬源油田體積壓裂的效果.物探與化探,2017,41(1)：165-170.

Wang Nashen,Zhang Yidan,Huang Jiaxuan et al.The application of micro-seismic monitoring and evaluation technology to evolution of volume fracturing effect in the Jiyuan oilfield.Geophysical and Geochemical Exploration,2017,41(1)： 165-170.

[24]張?jiān)沏y,劉海寧,李紅梅等.應(yīng)用微地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)估算儲(chǔ)層壓裂改造體積.石油地球物理勘探,2017,52(2)：309-314.

Zhang Yunyin,Liu Haining,Li Hongmei et al.Reservoir fracturing volume estimation with microseismic monitoring data.OGP,2017,52(2)：309-314.