利用微地震記錄互相關(guān)成像的震源定位方法

曾志毅 張建中*③

(①海底科學(xué)與探測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島 266100； ②青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室海洋礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)與探測(cè)技術(shù)功能實(shí)驗(yàn)室，山東青島 266061； ③中國(guó)海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院，山東青島 266100)

0 引言

非常規(guī)油氣(頁(yè)巖氣、頁(yè)巖油和煤層氣等)儲(chǔ)層具有低孔、低滲等物性特點(diǎn)，極難形成自然產(chǎn)能[1]，而水力壓裂是增大儲(chǔ)層滲透率、提高油氣產(chǎn)能的主要手段[2-3]。在壓裂注液過(guò)程中，裂隙壓力會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致裂隙擴(kuò)張或巖石破裂，并在射孔周圍發(fā)生一系列微小地震事件。通過(guò)監(jiān)測(cè)、記錄微震事件信號(hào)并對(duì)微震事件精確定位，可得到裂縫的方位、長(zhǎng)度、高度和縫型等多種屬性參數(shù)[4-6]。

地面微地震監(jiān)測(cè)憑借操作簡(jiǎn)便、觀測(cè)范圍大、覆蓋次數(shù)高且成本較低等優(yōu)勢(shì)，得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[7-9]，尤其是在壓裂井附近缺少監(jiān)測(cè)井的情況下，地面微地震監(jiān)測(cè)往往是現(xiàn)實(shí)的選擇。但由于地下介質(zhì)的吸收作用和地面噪聲的干擾，與井中監(jiān)測(cè)資料相比，地面微震資料信噪比較低，致使難以識(shí)別、拾取初至?xí)r間[10-11]，從而限制了基于識(shí)別、拾取初至的定位方法的應(yīng)用。因此，無(wú)須識(shí)別、拾取初至的微震偏移成像定位方法成為地面微震監(jiān)測(cè)震源定位方面的研究熱點(diǎn)[12-15]。

2004年Kao等[12]提出震源掃描(Source scanning algorithm，SSA)定位方法。該方法的主要優(yōu)勢(shì)是不需要拾取初至，也不用模擬地震記錄，通過(guò)對(duì)地下目標(biāo)區(qū)范圍和地震記錄時(shí)段的系統(tǒng)掃描，完成震源成像，獲得整個(gè)震源分布[16]； 其缺點(diǎn)是對(duì)低信噪比資料的處理效果欠佳。地震發(fā)射層析成像(Seismic emission tomography，SET)[17-18]是與SSA類似的常用的震源定位算法，它對(duì)低信噪比地震記錄有較強(qiáng)的適應(yīng)性，但定位精度易受初至極性的影響[19]。

針對(duì)上述缺陷，何勇等[20]通過(guò)引入震源機(jī)制極性校正項(xiàng)消除初至極性的影響； Liang等[21]采用格點(diǎn)掃描疊加方法，對(duì)離散震源位置及由震源機(jī)制組成的全空間進(jìn)行離散掃描，并利用震源機(jī)制校正記錄極性，得到裂隙展布的更豐富信息，但搜索樣本數(shù)目太大，計(jì)算效率較低。徐克彬等[22]提出基于L-M算法的射線反傳聚焦定位方法，提高了計(jì)算效率，但需拾取監(jiān)測(cè)區(qū)坐標(biāo)點(diǎn)到檢波器的時(shí)差，不適用于低信噪比微震資料處理。基于波形互相關(guān)的震源定位方法利用同震源地震事件通常在波形上具有相似性和隨機(jī)噪聲之間互不相關(guān)的特點(diǎn)[23-24]，有效地壓制了隨機(jī)噪聲的影響。Zhebel[25]通過(guò)相鄰道的互相關(guān)處理消除振幅極性反轉(zhuǎn)的影響，但易受地面臺(tái)站布設(shè)方式和數(shù)量的影響。

考慮到基于偏移疊加的微震定位方法不能兼顧消除噪聲和初至極性反轉(zhuǎn)對(duì)震源成像能量及對(duì)定位精度的影響，本文將振幅疊加能量改進(jìn)為波形互相關(guān)系數(shù)相乘能量，并作為成像能量值，模型和實(shí)際數(shù)據(jù)測(cè)試結(jié)果證明本文方法能較好地消除噪聲和初至極性反轉(zhuǎn)的影響，提高震源成像分辨率和定位精度。

1 震源成像方法原理與步驟

1.1 微震成像函數(shù)

基于偏移疊加成像的微震定位方法無(wú)須拾取初至數(shù)據(jù)，通過(guò)疊加原理壓制噪聲，是地面微震資料定位的一種有效技術(shù)。常規(guī)偏移類振幅疊加方法所用的偏移成像函數(shù)主要有

(1)

(2)

(3)

式中：urec(ηj,rec)為地下網(wǎng)格點(diǎn)ηj到第rec個(gè)(微)地震道的振幅值；crec為第rec個(gè)地震道的初至極性；N為檢波器的數(shù)量。

若水力壓裂破裂產(chǎn)生的微地震震源機(jī)制主要成分為雙力偶震源，則地表檢波點(diǎn)接收的初至極性振幅呈四象限分布[26]。式(1)是對(duì)波形振幅直接線性疊加，正負(fù)極性會(huì)導(dǎo)致振幅相互抵消而減小，使成像質(zhì)量變差； 式(2)是對(duì)波形振幅取絕對(duì)值后再線性疊加，雖可消除初至正負(fù)極性對(duì)疊加能量的削減，但同時(shí)也增強(qiáng)了噪聲影響； 式(3)利用震源機(jī)制得到的初至極性對(duì)微地震記錄做校正后線性疊加，但需估計(jì)震源機(jī)制，導(dǎo)致計(jì)算效率低，且線性疊加方式對(duì)低信噪比地面微震資料中的噪聲壓制能力不足，并降低震源定位精度。

針對(duì)上述線性疊加成像函數(shù)定位方法的不足，利用同震源波形的相關(guān)性與隨機(jī)噪聲不相關(guān)的差異，達(dá)到對(duì)震源成像和壓制噪聲的目的，提出基于波形互相關(guān)的震源定位方法[23]。相應(yīng)的成像函數(shù)[25-27]表達(dá)式

(4)

(5)

ESC3(ηj)

(6)

式中：W為所取時(shí)間窗口的長(zhǎng)度；k為時(shí)窗W中第k個(gè)采樣點(diǎn)；urec(ηj,rec，k)為地下網(wǎng)格點(diǎn)ηj到第rec個(gè)地震道、k時(shí)刻的振幅值；uref(ηj,ref，k)為地下網(wǎng)格點(diǎn)ηj到參考道ref、k時(shí)刻的振幅值。

式(4)表示互相關(guān)疊加成像函數(shù)，利用波形互相關(guān)雖可較好地壓制隨機(jī)噪聲，但在處理初至極性反轉(zhuǎn)時(shí)，用互相關(guān)疊加將正負(fù)抵消，會(huì)削減震源處成像能量值； 式(5)表示絕對(duì)值互相關(guān)疊加成像函數(shù)，若對(duì)互相關(guān)值取絕對(duì)值后疊加，會(huì)增強(qiáng)噪聲影響。因此，式(4)和式(5)成像函數(shù)都不能消除初至極性反轉(zhuǎn)帶來(lái)的影響。式(6)是相鄰道互相關(guān)疊加成像函數(shù)，利用正負(fù)波形互相關(guān)系數(shù)相消規(guī)避了初至極性反轉(zhuǎn)的影響，但易受地面檢波器布設(shè)方式和數(shù)量影響。因此，基于互相關(guān)疊加的成像函數(shù)都不能同時(shí)兼顧消除噪聲和初至極性帶來(lái)的不利影響。

基于偏移疊加類成像函數(shù)的定位方法都是通過(guò)疊加方式取得震源處成像能量，但對(duì)低信噪比地面微震監(jiān)測(cè)資料而言，通過(guò)疊加方式難以使真實(shí)震源處能量很好地“聚焦”，致使震源處成像分辨率較低，即定位誤差較大。雖然互相關(guān)疊加成像函數(shù)是將各臺(tái)站作為參考臺(tái)站并與其他臺(tái)站記錄波形做互相關(guān)，以此增加疊加次數(shù)，增大震源處能量值，提高震源成像分辨率，但卻降低了計(jì)算效率。

針對(duì)地面微震監(jiān)測(cè)資料信噪比低、臺(tái)站接收的初至極性反轉(zhuǎn)和計(jì)算效率低等問(wèn)題及其對(duì)偏移疊加類定位方法帶來(lái)的不利影響，本文將互相關(guān)疊加成像函數(shù)中的“疊加”改為“相乘”，得到下列互相關(guān)相乘成像函數(shù)

(7)

式中EMC(ηj)為網(wǎng)格點(diǎn)ηj的互相關(guān)相乘成像函數(shù)。該函數(shù)首先計(jì)算波形互相關(guān)函數(shù)，提高了對(duì)有效信號(hào)的檢測(cè)能力，壓制微震記錄上的隨機(jī)噪聲。計(jì)算的互相關(guān)系數(shù)雖有正負(fù)之分，但通過(guò)相乘它們并不會(huì)相互抵消，反而會(huì)因震源處的波形互相關(guān)程度較高，大數(shù)值相乘后會(huì)比小數(shù)值相乘的結(jié)果大許多，使得震源處的能量值更加“突出”和聚焦，且能壓制噪聲在空間成像域中形成的假像，從而提高震源處的成像分辨率和定位精度。

1.2 震源定位步驟

(1)首先選取某一個(gè)地震道作為參考道ref；

(2)據(jù)監(jiān)測(cè)范圍劃定成像目標(biāo)區(qū)，建立該區(qū)域速度模型，用矩陣網(wǎng)格按一定尺寸將該模型離散化，形成三維網(wǎng)格，各網(wǎng)格點(diǎn)均成為一個(gè)潛在震源位置；

(3)用射線追蹤法計(jì)算速度模型中每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)到各地震道相對(duì)參考道的初至?xí)r差Δtcal=[t1-tref，t2-tref，…，tN-tref]，tref為參考道初至?xí)r間；

(4)假設(shè)地下某網(wǎng)格點(diǎn)坐標(biāo)為ηj(xj，yi，zi)，對(duì)網(wǎng)格點(diǎn)ηj到所有地震道微震記錄按Δtcal做時(shí)差校正后，通過(guò)上述成像函數(shù)得到網(wǎng)格點(diǎn)ηj的能量總和。

(5)遍歷地下所有網(wǎng)格點(diǎn)后，可獲得一個(gè)四維數(shù)組(x，y，z，E)，其中(x，y，z)為對(duì)應(yīng)網(wǎng)格點(diǎn)位置，E為各網(wǎng)格在不同時(shí)刻的成像能量值。

2 理論模擬數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)

2.1 模型及合成記錄

首先用理論模型數(shù)據(jù)對(duì)本文方法進(jìn)行測(cè)試，分別從抗噪性、初至極性及多震源分辨率等方面與其他成像函數(shù)的定位結(jié)果做對(duì)比，并討論速度誤差及成像函數(shù)中時(shí)窗長(zhǎng)度對(duì)成像結(jié)果的影響。模型尺寸為4000m×4000m×1800m，由5個(gè)水平地層組成，對(duì)應(yīng)的4個(gè)界面的深度分別為200、600、900和1400m，各地層的速度從上到下依次遞增(圖1a)。采用某油田實(shí)際地面微震監(jiān)測(cè)檢波器的不規(guī)則布設(shè)(圖1b)，檢波陣列共42個(gè)檢波器。

微震事件記錄S(n)由震源子波w(n)與透射系數(shù)序列R(n)褶積而成，合成含噪微震記錄表示為

S(n)=w(n)*R(n)+N(0,σ2)

(8)

式中：n為微震記錄采樣點(diǎn)序號(hào)；N(0，σ2)是均值為0、方差為σ2的高斯白噪聲； 震源子波采用雷克子波

w(t)=(1-2πft2)exp(-πft2)

(9)

式中：f為震源子波主頻；t為微震子波持續(xù)時(shí)間。微震資料信噪比RS/N的計(jì)算公式為

(10)

式中：rS表示信號(hào)振幅值的均方根值；rN表示噪聲幅值的均方根值。

假設(shè)微地震事件的發(fā)震位置為(0，0，1450m)，模型的理論初至由三維射線追蹤[28]計(jì)算得到，震源子波(圖2a)主頻為60Hz，由式(8)和式(9)合成的微震記錄如圖2b所示。

圖2 震源子波(a)及合成微震記錄(b)

2.2 低信噪比微震記錄的定位效果對(duì)比

地面微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)臺(tái)站通常布設(shè)于地表，因受地表各種噪聲和地層吸收的影響，地面微震監(jiān)測(cè)資料信噪比低，初至識(shí)別和拾取困難。

對(duì)上述無(wú)噪聲微震記錄(圖2b)添加不同強(qiáng)度高斯白噪聲，形成信噪比為0.1～0.9的微震記錄； 利用不同成像函數(shù)測(cè)試這些低信噪比微震記錄的定位效果。圖3是其中信噪比分別為0.4和0.2的兩張微震記錄，可見(jiàn)有效微震信號(hào)完全淹沒(méi)于噪聲中，無(wú)法識(shí)別和拾取有效微震信號(hào)的初至。

圖4和圖5是對(duì)上述兩張微震記錄分別利用線性疊加、互相關(guān)疊加和互相關(guān)相乘三種成像函數(shù)得到的定位結(jié)果。可見(jiàn)隨著信噪比的減小，疊加類成像函數(shù)的成像結(jié)果變差； 互相關(guān)相乘成像函數(shù)(圖4c、圖5c)的成像分辨率和定位精度都更高，表明互相關(guān)成像函數(shù)對(duì)低信噪比資料處理效果更佳。

圖6是不同成像函數(shù)的定位誤差隨信噪比變化的對(duì)比，顯然互相關(guān)成像函數(shù)具更強(qiáng)抗噪能力。

圖3 信噪比為0.4(a)和0.2(b)的含隨機(jī)噪聲合成微震記錄

在實(shí)際水力壓裂施工中，地面檢波器不僅會(huì)受隨機(jī)噪聲影響，而且會(huì)受固定干擾、點(diǎn)脈沖等噪聲影響，甚至出現(xiàn)壞道或異常道。對(duì)圖3a微震記錄中某些地震道添加固定頻率干擾噪聲(第1、2和3道)和壞道(第25和35道)，得到圖7所示微震記錄。

因線性疊加成像函數(shù)無(wú)法滿足低信噪比微震資料的定位，故只利用互相關(guān)疊加和互相關(guān)相乘兩種成像函數(shù)做定位成像(圖8)并進(jìn)行對(duì)比。可見(jiàn)互相關(guān)疊加成像函數(shù)受固定干擾、點(diǎn)脈沖等噪聲和壞道影響，成像分辨率和定位精度降低，而互相關(guān)相乘成像函數(shù)仍具有較高震源分辨率和定位精度。當(dāng)然，在進(jìn)行實(shí)際定位工作的處理階段時(shí)，可對(duì)微震監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行預(yù)處理，剔除較明顯的壞道。

2.3 初至極性反轉(zhuǎn)的定位成像結(jié)果對(duì)比

實(shí)際資料顯示微地震震源機(jī)制有很強(qiáng)的雙力偶震源成分，其振幅極性在地面呈四象限分布，震源定位時(shí)線性疊加成像函數(shù)不能同時(shí)兼顧噪聲壓制和振幅反轉(zhuǎn)問(wèn)題，易影響震源定位的精確；而極性修正疊加成像函數(shù)計(jì)算效率低，且易將定位誤差帶入到震源機(jī)制反演中，造成震源機(jī)制反演誤差較大，對(duì)后續(xù)

圖4 信噪比為0.4的微震記錄用不同成像函數(shù)的成像結(jié)果

圖5 信噪比為0.2的微震記錄用不同成像函數(shù)的成像結(jié)果

圖6 不同成像函數(shù)定位誤差隨信噪比的變化

圖7 信噪比為0.4的含固定頻率噪聲和壞道微震記錄的微地震資料解釋造成困擾。互相關(guān)疊加成像函數(shù)在壓制噪聲方面具一定優(yōu)勢(shì)，但在處理初至極性反轉(zhuǎn)問(wèn)題上仍不夠理想。

圖8 對(duì)圖7所示微震記錄采用互相關(guān)疊加(a)和互相關(guān)相乘(b)成像函數(shù)得到的定位成像結(jié)果

仍采用圖1所示的速度模型和地面微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(包括震源位置)。為使地面檢波器的振幅極性呈四象限分布，設(shè)計(jì)了壓裂裂縫模型：方位角、傾角和滑動(dòng)角分別為25°、50°、80°，震源機(jī)制如圖9右上角所示。根據(jù)P波初動(dòng)極性在震源球上的極射赤面投影可得各檢波點(diǎn)振幅極性分布，相應(yīng)的合成微震記錄如圖10所示，可見(jiàn)信噪比為0.4的含噪微震記錄(圖10b)中有效信號(hào)無(wú)法識(shí)別，初至難以拾取。由于模擬有效信號(hào)的初至極性發(fā)生反轉(zhuǎn)，利用絕對(duì)值互相關(guān)疊加成像、相鄰道互相關(guān)疊加和互相關(guān)相乘成像函數(shù)分別進(jìn)行定位成像測(cè)試。

圖11為絕對(duì)值互相關(guān)疊加、相鄰道互相關(guān)疊加和互相關(guān)相乘成像函數(shù)的定位成像結(jié)果。可見(jiàn)互相關(guān)相乘成像函數(shù)不受初至極性反轉(zhuǎn)影響，在震源處仍呈現(xiàn)較高成像分辨率，且定位精度高。這是緣于該成像函數(shù)利用波形互相關(guān)系數(shù)相乘的形式，巧妙地解決了振幅極性反轉(zhuǎn)對(duì)疊加能量的影響。

圖9 震源機(jī)制“沙灘球”及對(duì)應(yīng)的檢波器極性分布

圖10 無(wú)噪(a)和信噪比為0.4的含噪(b)初至極性反轉(zhuǎn)合成微震記錄

2.4 多震源定位成像對(duì)比

水力壓裂誘發(fā)的微地震沿裂縫延伸方向會(huì)有多個(gè)震源同時(shí)或連續(xù)激發(fā)，因此對(duì)于微震源定位方法來(lái)說(shuō)，應(yīng)該還具有能準(zhǔn)確識(shí)別多個(gè)震源且同時(shí)進(jìn)行精確定位的能力，當(dāng)各道有效信號(hào)不能區(qū)分時(shí)，傳統(tǒng)定位方法不再適用。

設(shè)計(jì)了4個(gè)震源同時(shí)激發(fā)，震源位置分別為(-100m，-100m，1450m)、(0，0，1450m)、(100m，100m，1450m)和(200m，200m，1450m)。分別用線性疊加、互相關(guān)疊加和互相關(guān)相乘成像函數(shù)對(duì)多震源合成微震記錄進(jìn)行定位成像測(cè)試，得到無(wú)噪多震源微震記錄(圖12a)和信噪比為0.5的微震記錄(圖12b)。由于部分微震事件到達(dá)同一個(gè)檢波器的初至相近，導(dǎo)致部分檢波器接收微震信號(hào)疊加在一起，無(wú)法準(zhǔn)確分辨發(fā)生微震事件的個(gè)數(shù)。

由于4個(gè)理論震源深度都為1450m，故只顯示z=1450m處x-y平面的成像結(jié)果。圖13為線性疊加、互相關(guān)疊加和互相關(guān)相乘成像函數(shù)在z=1450m的成像定位結(jié)果。相比于疊加類(線性和互相關(guān)疊加)成像函數(shù)，互相關(guān)相乘成像函數(shù)的定位成像分辨率更高，雖然個(gè)別震源能量值相對(duì)較小，但與真實(shí)震源位置吻合度高，易于識(shí)別震源位置，表明互相關(guān)相乘成像函數(shù)對(duì)多震源處理效果更佳。

圖12 無(wú)噪(a)和信噪比為0.5的含噪(b)多震源合成微震記錄

圖13 信噪比為0.5的多震源微震記錄用不同成像函數(shù)的定位成像結(jié)果

2.5 互相關(guān)時(shí)窗長(zhǎng)度對(duì)定位成像結(jié)果的影響

利用互相關(guān)成像函數(shù)做定位成像處理需選取合適的時(shí)窗長(zhǎng)度，為了對(duì)比不同時(shí)窗長(zhǎng)度對(duì)定位成像結(jié)果的影響，分別采用單震源(圖3a)和多震源(圖12b)記錄進(jìn)行定位成像，得到如圖14所示定位成像結(jié)果。當(dāng)選取的時(shí)窗長(zhǎng)度完全包含有效信號(hào)時(shí)，無(wú)論是定位分辨率還是定位精度都較高(圖14b)，而當(dāng)選取的時(shí)窗長(zhǎng)度未完全包含有效信號(hào)時(shí)，定位分辨率和定位精度較差(圖14a)。因此，時(shí)窗長(zhǎng)度應(yīng)盡可能完全包含有效信號(hào)，以保證不同地震道的有效信號(hào)之間具有較高相關(guān)度，提高震源分辨率和定位精度。但時(shí)窗長(zhǎng)度也不宜取太長(zhǎng)，避免包含太多噪聲記錄，降低有效信號(hào)之間的相關(guān)程度，影響定位精度(圖14c)。

圖14 不同時(shí)窗長(zhǎng)度W的單震源(黑虛線左側(cè))及多震源(黑虛線右側(cè))定位成像結(jié)果

2.6 速度誤差對(duì)定位精度的影響

分別將圖1a模型的速度值增大和減少20%、15%、10%和5%，采用與前述相同的處理流程和參數(shù)，在速度模型不準(zhǔn)確的情況下對(duì)合成微震記錄(圖10b)進(jìn)行定位成像結(jié)果分析，得到不同速度擾動(dòng)的定位誤差(計(jì)算震源位置與理論震源位置(0，0，1450m)之差)對(duì)比。從圖15易見(jiàn)，速度模型誤差對(duì)定位結(jié)果影響較大，且當(dāng)模型出現(xiàn)負(fù)的速度擾動(dòng)時(shí)，其定位誤差大于正的速度擾動(dòng)，故利用射孔信號(hào)對(duì)速度模型進(jìn)行校正顯得尤為重要。

圖15 不同速度擾動(dòng)下的定位誤差對(duì)比

3 實(shí)際數(shù)據(jù)處理

3.1 工區(qū)速度模型建立與射孔位置驗(yàn)證

將本文方法應(yīng)用于M油田相鄰兩段壓裂過(guò)程的地面微震監(jiān)測(cè)實(shí)際資料。監(jiān)測(cè)臺(tái)站布設(shè)如圖16a所示，大致呈星形共安置了42個(gè)檢波器。壓裂井口坐標(biāo)為(0，0，0)，兩段壓裂的射孔深度分別為2930m和2865m，第一和第二段射孔坐標(biāo)(圖16a中紅色點(diǎn))分別位于(112m，672m，2930m)和(105m，670m，2865m)。利用壓裂井聲波測(cè)井曲線建立一維速度模型(圖 16c)，該模型劃分為10個(gè)水平層，劃分依據(jù)為測(cè)井曲線速度值突變處即為地層分界面。第二段射孔微震記錄做過(guò)帶通濾波預(yù)處理(圖16d)。

根據(jù)射孔坐標(biāo)將定位成像區(qū)域范圍劃為x∈[-100m，300m]，y∈[-500m，900m]，z∈[2600m，3200m]。利用互相關(guān)疊加和互相關(guān)相乘成像函數(shù)得到第二段射孔記錄的成像結(jié)果(圖17)。互相關(guān)疊加成像函數(shù)的定位射孔位置坐標(biāo)為(100m，680m，2860m)，定位誤差(計(jì)算射孔位置與實(shí)際射孔位置之差)為12.24m；互相關(guān)相乘成像函數(shù)的定位坐標(biāo)為(100m，675m，2860m)，定位誤差為8.66m，精度更高。從定位成像結(jié)果可知，互相關(guān)疊加成像函數(shù)定位成像結(jié)果的能量“聚焦”分辨率較低，出現(xiàn)大面積局部能量極值現(xiàn)象，能量“聚焦”不夠集中，一定程度上干擾了震源位置的確定。互相關(guān)相乘能量“聚焦”的震源分辨率顯著高于疊加法能量“聚焦”的分辨率，幾乎沒(méi)有出現(xiàn)大面積的能量極大值現(xiàn)象，說(shuō)明互相關(guān)相乘成像函數(shù)對(duì)空間成像域中虛假成像“噪聲”有明顯壓制作用，有利于微震事件位置的精確確定。

圖16 實(shí)際地面微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與資料

圖17 對(duì)射孔記錄用互相關(guān)疊加(a)和互相關(guān)相乘(b)成像函數(shù)得到的定位成像結(jié)果

3.2 微震事件檢測(cè)與成像對(duì)比

從實(shí)際射孔事件微震定位結(jié)果可知：基于偏移成像的微震定位方法對(duì)低信噪比微震資料具有良好處理效果；但基于疊加能量成像函數(shù)的微震定位方法具有較大局限性；而基于互相關(guān)相乘成像函數(shù)能較好地改善震源成像分辨率，提高定位精度。

針對(duì)低信噪比實(shí)際微震監(jiān)測(cè)記錄(圖18)，進(jìn)行了微震事件檢測(cè)和成像對(duì)比分析(圖19)。可知互相關(guān)相乘成像函數(shù)的定位成像結(jié)果具有較高的成像分辨率，更易于震源位置的識(shí)別。根據(jù)偏移類定位方法的基本原理，分別利用兩種成像函數(shù)所得到的震源位置到各個(gè)檢波器的初至旅行時(shí)，對(duì)實(shí)際監(jiān)測(cè)微震記錄(圖18)做時(shí)差校正，得到校正后的微震記錄(圖20)。利用互相關(guān)疊加成像函數(shù)的定位結(jié)果做時(shí)差校正后，微震事件波形同相軸曲線清晰度不夠高，且校正后的微震事件波形同相軸未被“拉平”，導(dǎo)致出現(xiàn)較大定位誤差。而利用互相關(guān)相乘成像函數(shù)的定位結(jié)果對(duì)微震記錄時(shí)差校正后，微震事件波形同相軸被“拉平”，定位精度較高。

圖19 針對(duì)低信噪比實(shí)際微震資料用互相關(guān)疊加(a)和互相關(guān)相乘(b)成像函數(shù)所得定位成像結(jié)果

圖20 互相關(guān)疊加(a)和互相關(guān)相乘(b)成像函數(shù)定位結(jié)果的微震記錄時(shí)差校正

3.3 相鄰兩段壓裂微震事件定位結(jié)果對(duì)比

對(duì)相鄰兩段壓裂過(guò)程中地面微地震連續(xù)監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行定位處理，圖21為井旁地震記錄。分別利用互相關(guān)疊加和互相關(guān)相乘成像函數(shù)得到兩段壓裂的微震事件定位結(jié)果(圖22)。利用互相關(guān)疊加成像函數(shù)得到的微震事件(圖22a)較為分散，尤其在射孔點(diǎn)位置周圍微震事件較為稀疏，且微震事件定位結(jié)果在垂向范圍較分散，分層現(xiàn)象不明顯，將會(huì)影響對(duì)油藏改造體積(SRV)的精確估計(jì)；利用互相關(guān)相乘成像函數(shù)得到的微震事件(圖22b)較連續(xù)和聚集，更能反映實(shí)際裂隙的走向，且在垂直方向微震事件出現(xiàn)較明顯的與射孔深度相關(guān)的分層現(xiàn)象，表明定位結(jié)果的可信度更高。

圖23為利用互相關(guān)相乘成像函數(shù)所得到的微震事件位置隨時(shí)間的變化。可見(jiàn)發(fā)震時(shí)間較早的微震事件(深藍(lán)色)主要分布在射孔點(diǎn)位置附近，分布較集中； 隨著壓裂進(jìn)行，微震事件逐漸遠(yuǎn)離射孔點(diǎn)位置向北東向發(fā)展(深黃色)，分布較為分散，表明定位結(jié)果較為合理。對(duì)這兩段壓裂裂隙的評(píng)估結(jié)果：方位角約為45°，西側(cè)裂縫分布長(zhǎng)約為70m，東側(cè)裂縫分布長(zhǎng)約為200m。

圖21 井旁地震記錄

圖22 互相關(guān)疊加(a)和互相關(guān)相乘(b)成像函數(shù)對(duì)第二段微地震記錄的定位結(jié)果

圖23 微震事件位置隨時(shí)間變化關(guān)系

4 結(jié)論

基于偏移疊加成像的微震定位方法較適用于低信噪比微震資料的定位。但基于疊加能量的定位方法不能同時(shí)兼顧消除噪聲和初至極性反轉(zhuǎn)對(duì)震源疊加能量的影響，降低定位精度。本文提出的基于微地震記錄互相關(guān)相乘的成像函數(shù)微震定位方法，能顯著削弱隨機(jī)噪聲和初至極性反轉(zhuǎn)對(duì)震源能量聚焦的影響，壓制空間域噪聲產(chǎn)生的假像，提高震源成像分辨率及微震事件的定位精度。

計(jì)算互相關(guān)時(shí)要選取合適的時(shí)窗長(zhǎng)度，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可根據(jù)射孔信號(hào)給出一個(gè)估計(jì)值。與偏移成像類方法相似，速度模型對(duì)成像和定位有較大影響，因此用這類方法需構(gòu)建精確的速度模型，或要求在成像的同時(shí)校正速度模型。