（地球探测与信息技术专业论文）微地震信号的震相分离.pdf

摘要 野外采集的微地震信号，其震源未知，能量弱，信噪比低，波的到达方向随机， 因而使铅垂分量和水平分量记录上监测到的波形更加难以识别分离。 为此，本文先从微地震监测的基本原理入手，从理论上分析微震监测的激发原理， 掌握微地震信号的基本特征。针对井中三分量检波器水平分量方位的随机性，本文利 用射孔记录进行检波器的水平分量定位：针对每个分量上监测到的波的到达方向的随 机性，t 通过研究偏振一位置对比法震相分离技术，设计了综合利用波的第一类方向特 性和第二类方向特性追踪波的跟踪分量，进行震相分离的方法；在利用波的偏振对比 追踪波的跟踪分量时，本文首先从最一般的极化滤波入手，进一步研究针对复杂波场 的自适应极化滤波方法：在利用波的第二类方向特性进行波的位置对比追踪波时，本 文研究了用频率相干滤波和变速二维窄通带滤波追踪波，最后通过偏振一位置对比的 联合追踪波的跟踪分量，达到震相分离的目的。 在利用波的偏振一位置对比联合追踪波的跟踪分量时，本文研究了两种偏振一位 置对比方法，即：具有给定偏振参数的极化滤波一频率相干滤波相结合的方法与自适 应极化滤波一改进的二维窄通带滤波相结合的方法。在频域相干滤波算法设计中，提 出左右相干度、循环迭代算法，以达到压制噪音增强有用信号的目的；常规的极化滤 波，通过选取固定分量作为期望方向，滤波得到三个偏振方向的剩余互补剖面，叠加 在一起，可以粗略的合成微地震信号的跟踪分量。在设计f k 滤波时，针对常规二维 滤波在处理微地震数据上存在的问题，本文设计了改进的二维窄通带滤波；即：计算 相邻道滑动时窗内信号的相关系数，确定时窗内信号的速度范围，然后利用时窗扩展 技术消除二维m 变换造成的时空域的混迭和泄漏。设计自适应极化滤波时，通过相 邻道最大偏振投影互相关搜索法求取每个波的期望方向( 也就是跟踪分量的方向) ， 然后构造极化滤波因子进行极化滤波选择波，滤波后的三分量微地震记录分别向期望 方向投影，合成波的跟踪分量的综合地震记录，即可实现微地震信号的震相分离，清 晰地识别各种微震信号， 文中的应用实例及模型结果表明：改进的二维窄通带滤波一自适应极化滤波相结 合的偏振一位置对比震相分离技术，能够充分利用波的两类方向特性，最大限度的减 小振幅的畸变，在绘制的跟踪分量综合地震记录上，清晰地分离出微地震信号的各种 震相。 关键词：微地震偏振一位置对比二维滤波跟踪分量震相分离 t h es e i s m i cp h a s es e p a r a t i o no ft h em i c r o s e i s m i cs i g n a l z h uw e i x i n g ( g e o p h y s i c a lp r o s p e c t i n ga n di n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y ) d i r e c t e db yp r o f s o n gw e i q i a b s t r a c t t h ec h a r a c t e r i s t i co ft h em i c r o s e i s m i cs i g n a lg a t h e r e di nf i e l di st h a ti t sc e n t e ro f o r i g i nu n k n o w n ，t h ee n e r g yi sw e a k ，t h es i g n a l - t o - n o i s er a t i oi sl o w , a n dt h ed i r e c t i o no f w a v ea r r i v a li sr a n d o m n e s s ，a b o v ew h i c he x a m i n et os e p a r a t ea n dr e c o g n i z ew a v es h a p e m o n i t o r e db yt h eg e o p h o n ei nv e r t i c a lc o m p o n e n ta n dt h eh o r i z o n t a lc o m p o n e n tr e c o r d i n g m u c hm o r ed i f f e r e n c e f o rt h i sr e a s o n ，t h i sa r t i c l es t u d i e st h ef u n d a m e n t a lp r i n c i p l eo ft h em i c r o s e i s m i c m o n i t o n n gf i r s t l y , a n a l y z e st h es t i m u l a t i o np r i n c i p l eo ft h em i c r o s e i s mm o n i t o ri nt h e o r y a n dm a s t e r st h eb a s i cc h a r a c t e r i s t i co ft h em i c r o s e i s m i cs i g n a l i nv i e wo fp o s i t i o n r a n d o m n e s so ft h et h r e ec o m p o n e n td e t e c t o rc o m p o n e n ti nw e l l ，t h i sa r t i c l eu s e st h e p e r f o r a t i o nr e c o r d i n gt oc a r r yo nt h eh o r i z o n t a lc o m p o n e n tl o c a l i z a t i o no ft h ed e t e c t o r i n v i e wo ft h ew a v ed i r e c t i o no fa r r i v a lr a n d o m n e s se x a m i n e di ne a c hc o m p o n e n t ，t h ea r t i c l e t r a c e st h ew a v et r a c k i n g c o m p o n e n t 、析t l lu t i l i z i n gw a v ef i r s tk i n d o fd i r e c t i o n a l c h a r a c t e r i s t i ca n dt h es e c o n dk i n do fd i r e c t i o n a lc h a r a c t e r i s t i cc o m p r e h e n s i v e l yt oc a r r yo n t h ep h a s es e p a r a t i o n ，t h r o u g hr e s e a r c h i n gt h es e i s m i cp h a s es e p a r a t i o nt e c h n o l o g yb a s e d o nt h ep o l a r i z a t i o n p o s i t i o nc o m p a r i s o nm e t h o d w h e nu s ep o l a r i z a t i o nc o m p a r i s o nt o t r a c ew a v et r a c kc o m p o n e n t ，t h i sa r t i c l ei ss t a r t e dw i t ht h em o s tg e n e r a lp o l a r i z a t i o n f i l t e r i n gf i r s t l y , a n dt h e ns t u d i e sa u t o a d a p t e dp o l a r i z a t i o nf i l t e r i n gm e t h o dw h i c hi si n v i e wo ft h ec o m p l e xw a v ef i e l d w h e np r o c e s sw a v ep o s i t i o nc o n t r a s tu s i n gt h ew a v e s e c o n dk i n do fd i r e c t i o n a lc h a r a c t e r i s t i ct ot r a c et h ew a v e ，t h i sa r t i c l es t u d i e st h ef r e q u e n c y c o h e r e n c ef i l t e r i n ga n dt h et w o d i m e n s i o n a ln a r r o wp a s sb a n df i l t e ro f c h a n g e ds p e e d w h e nu s ew a v ep o l a r i z a t i o n p o s i t i o nc o m p a r i s o nu n i o nt oc h o o s et h ew a v et r a c k i n g c o m p o n e n t ，t h i sa r t i c l eh a ss t u d i e dt w op o l a r i z a t i o n - p o s i t i o nc o m p a r i s o nm e t h o d s n a m e l ： t h ep o l a r i z a t i o nf i l t e r i n gw h i c hh a st h ea s s i g n e dp o l a r i z a t i o np a r a m e t e rc o m b i n e f r e q u e n c y c o h e r e n c e f i l t e r i n g a n dt h ea u t o a d a p t e dp o l a r i z a t i o n f i l t e r i n g u n i f i e i m p r o v e m e n t t w o - d i m e n s i o n a ln a r r o wp a s sb a n df i l t e r w i t ht h ef i l t e r i n ga l g o r i t h md e s i g ni nf r e q u e n c y c o h e r e n c e ，w ep r o p o s ea l g o r i t h mo fc i r c l ew i t hl e f ta n df i g h tc o h e r e n c ed e g r e et oa t t a i nt h e a i mo fp r e s s i n gn o i s ea n dh e i g h t i n gt h ev a l i ds i g n a l t h ec o n v e n t i o n a lp o l a r i z a t i o nf i l t e r i n g w h i c ht o o kt h ef i x e dc o m p o n e n ta se x p e c t a t i o nd i r e c t i o nt oo b t a i nt h es u r p l u ss e c t i o n p l a n e ， a n dt h e np u t st o g e t h e rc a na l s om a yt h es k e t c h ys y n t h e s i sm i c r o s e i s m i c s i g n a lt r a c k c o m p o n e n t ，a c h i e v et h eg o a lo ft h ep h a s es e p a r a t i o n i nv i e wo fe x i s t e n c eq u e s t i o nu s i n gt h e c o n v e n t i o n a lt w o - d i m e n s i o n a lf i l t e r i n gi np r o c e s s i n gm i c r o s e i s m i cd a t a , t h i sa r t i c l eh a sd e s i g n e dt h e i m p r o v e m e n tt w o - d i m e n s i o n a ln a r r o wp a s sb a n df i l t e r n a m e l y ：c o u n t i n gt h ec o e f f i c i e n to f c o r r e l a t i o ni ne a c ha p e r t u r e ，c o n f i r m i n gt h es i g n a ls p e e dr a n g ei ne a c ha p e r t u r e ，a n dt h e n u s et h ew i n d o we x p a n s i o nt e c h n o l o g yt or e m o v et h ea l i a sa n dd i v u l g i n gw h i c hi sc r e a t e d b yt h et w o - d i m e n s i o n a lf f tt r a n s f o r m a t i o n w h e nd e s i g n st h ea u t o - a d a p t e dp o l a r i z a t i o n f i l t e r i n g ，s e a r c h i n ge a c hw a v e se x p e c t a t i o nd i r e c t i o n ( a l s oi st r a c k sc o m p o n e n td i r e c t i o n ) w h i c hs e a r c ht h ed i r e c t i o nb a s e dc o u n t i n gt h en e a rt h ep o l a r i z a t i o np r o j e c t i o nc o r r e l a t i o n b i g g e s tp r o j e c t i o n a n dt h e ns t r u c t u r e st h ep o l a r i z a t i o nf i l t e r i n gf a c t o rt oc a r r yo nt h e a u t o 。p o l a r i z a t i o nf i l t e r i n gw h i c ht oc h o o s ew a v e a f t e r , t h r e ec o m p o n e n tm i c r o s e i s m i c r e c o r d i n gf i l t e r e da r ep r o je c t e dt ot h ee x p e c t a t i o nd i r e c t i o ns e p a r a t e l y , p l a nc o m p r e h e n s i v e s e i s m i cr e c o r do ft h et r a c k i n gc o m p o n e n ta n dt h e na c h i e v i n gt h em i c r o s e i s m i cs i g n a l p h a s es e p a r a t i o n a n dr e c o g n i z ee a c hk i n go fm c r o s e i s m i cs i g n a l t h ea p p l i c a t i o ne x a m p l ea n dt h em o d e lr e s u l ti nt h ea r t i c l ei n d i c a t e dt h a t ：t h e p o l a r i z a t i o n - p o s i t i o n c o r r e l a t i o nm e t h o d p h a s es e p a r a t i o nt e c h n o l o g yb a s e dt h e i m p r o v e m e n tt w o - d i m e n s i o n a ln a r r o wp a s sb a n df i l t e r - a u t o - a d a p t e dp o l a r i z a t i o nf i l t e r i n g u n i f i e d ，w h i c hc a nu s et h ew a v et w ok i n do fd i r e c t i o n a lc h a r a c t e r i s t i cf u l l ya n dr e d u c et h e d i s t o r t i o no ft h ea m p l i t u d e i nt h et r a c k i n gc o m p o n e n ts y n t h e s i ss e i s m i cr e c o r d ，e a c hk i n d o fm i c r o s e i s m i cs i g n a lp h a s ec a nb es e p a r a t e dc l e a r l y k e y w o r d s ：m i c r o s e i s m i c ，p o l a r i z a t i o n p o s i t i o nc o r r e l a t i o n ，2 - df i l t e r i n g ，t r a c k i n g c o m p o n e n t ，s e i s m i cp h a s es e p a r a t i o n 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得 的成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致 谢外，本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得 中国石油大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同 工作的同志对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名_ 盎圣垦 一 日期：堋年月2 ，日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其 印刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关 部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位 论文被查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，采用影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：生兰垦 指导教师签名：弛 日期：一驴年石月z 一日 日期：硼年移月日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第一章前言 1 1 选题的目的和意义 微地震监测是近年来发展迅速的一种新的监测技术，该技术集采矿学、地震学、 信号采集与处理、信号传输等多学科知识于一体，是研究地下应力场变化、工程动态 监测、油气藏动态监测等的有效手段。 微地震监测就是通过观测、分析生产活动中所产生的微小地震事件来监测生产活 动之影响、效果及地下状态的地球物理技术，其基础是声发射学和地震学。在油气田 进入开发阶段，进行微地震监测，通过分析微地震信号，确定裂缝位置，监测油藏动 态，对提高油田的采收率有重大的指导作用；归纳起来，微地震监测有以下几个方面 的应用：( 1 ) 储层压裂监测；( 2 ) 油藏动态监测；( 3 ) 识别可能引起储层分区或充当过早 见水流动通道的断层或大裂缝，描述断层的封堵性能；( 4 ) 对于裂缝为主的储层，微 地震事件也可以作为位于储层内部的有效纵波和横波震源【l 】，用于速度成像和横波各 向异性分析，对裂缝性储层有关的流动各向异性进行成像；( 5 ) 对微地震波形和震源 机制的研究。可提供有关油藏内部变形机制、传导性裂缝和再活动断裂构造形态的信 息，以及流体流动的分布和压力前缘的移动情况；( 6 ) 微地震监测和其他井中地震技 术和反射地震技术结合起来，提供功能强大的常规预测工具，大大降低储层监测的周 期和费用【2 1 。因此，开展微地震监测，反演震源位置，提取裂缝属性，对于油田的勘 探开发和增产增收都有重大的指导意义。 近几十年来，国内外在微震监测定位方面做了大量的研究工作，微震监测技术应 用于油藏动态监测的最终目标是以微震监测技术为核心，结合信号采集识别，运用微 震定位理论和震级计算方法，得到微震的发震时刻、震源位置和震级大小，并提供波 形振动的全波形记录，为确定裂缝的位置形态和部署井位提供依据【2 】；并在这基础上， 实现从数据采集到监测油藏动态全过程的智能化、自动化、可视化和网络化。但由于 微地震的复杂性，尤其是在复杂介质条件下接收到的微地震信号，能量极其微弱，信 噪比很低( 小于1 ) ，目前的震相到时拾取方法的精度不是很高网，无法在低信噪比的 微地震资料中快速准确的拾取p 波、s 波的到时，当然就无法准确的计算微地震的发 震时刻、震源位置和震级，以及提取裂缝属性参数。因此在进行震源定位和裂缝成像 及属性提取前，必须对微地震信号进行震相分离处理，以准确的拾取不同微震震相的 到时：同时利用其它震相的约束反演可以提高震源定位的精度。 第一章前言 1 2 国内外研究现状 地震信号的震相分离是随着地震勘探偏振法以及多分量检波器的发展而逐步发 展的，它涉及到地震波的振动轨迹和传播方向，即波的第一类方向特性和第二类方向 特性；因此，信号的震相分离技术是与地震波偏振研究、传播方向研究紧密相连的。 在这方面国内外都进行了大量的实验研究以及实际的应用。 1 2 1 国外研究现状 国外对地震信号的偏振性质的研究起步较早，他们都是基于对研究复杂介质和复 杂波场的需要；下面论述一下国外在研究震相分离及偏振对比方面的成果【4 1 。 1 9 0 9 年著名的地震学家b b 戈利岑首先应用三分量地震检波器装置，根据第一个 纵波的质点运动方向确定向震中方向的方位角的方法。利用地震波偏振的首次经验对 于地震学的发展有很大意义，因为它可以只以一个地震台的观测确定天然地震的位置 【4 j o 1 9 5 2 年，由r a 甘布尔采夫首次应用波的偏振的思想，提出和发展了波的新型对 比法方位一相位对比法，它是基于在观测点具有相同位置的条件下作为振动分量 在空间取向的函数来追踪地震波的相位。方位一相位对比借助于用专门的多分量地震 检波器装置得到的偏振地震记录实现的。这些研究的发展导致建立地震观测的方法。 已经导出了地震波的方位一相位对比的基本方程，形成了按照基本类型波的偏振特点 分离波的标志，研究出方位地震记录和确定地震波偏振参数的方法。 1 9 6 4 年b m 邦达列夫迸一步发展了地震方位的观测法。他提出了确定介质质点 位移方向和椭圆偏振振动参数的分析方法，估计了确定质点运动向量方向的精确度， 阐明了后者与方位装置误差及道振幅不一致的关系【4 】o 1 9 5 9 年苏联科学院大地物理研究所已进行井中波的偏振研究工作。在不同构造地 区完成了井中三分量观测：山前坳陷( 乌克兰西部) 、俄罗斯地台( 古比雪夫省克拉斯诺 达尔地区的北部) 以及山问盆地( 费尔干盆地) 。质点的运动轨迹是和波在空间的传播 过程一起研究的；同时在对伏尔加格勒附近的伏尔加盆地完成的垂直地震剖面进行了 转换透过波的研究，质点运动轨迹的研究得到了发展，而且首次采用了偏振对比和偏 振一位置对比。用电子计算机完成的按介质质点运动方向( 第一类p h r i ) 和按波的传播 方向( 第二类p h y i ) 选择波的联合可以在复杂波场中分解出转换透过波，也可以在具有 高速的碳酸岩和低速的碎屑岩互层的介质中研究转换透过波 4 1 。 1 9 5 9 1 9 6 7 年，全苏地球物理勘探方法研究所和苏联科学院西玻利亚分院在h h 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 普济列夫的领导下，对振动偏振特别是横波的偏振研究有了长足的进步。利用多分量 固定取向的地震检波器装置可以有效的分离出弱震的横波。 1 9 6 9 年至1 9 7 3 年间，全苏地球物理勘探方法研究所的m b 波梅兰采、a h 莫兹 任科和f b 叶戈尔等人利用远震激发的透过转换波在进行区域勘察的方法方面做了 大量的工作。在探讨识别p 波和p s 波的标准时，获得了转换波偏振的信息和其他动 力学特点。最重要的成果是按照其偏振标志进行反射横波s h 波的选择方法。这个方 法是：对于有水平方向性的震源，通过相反符号的激发的叠加来压制没有相位反转的 波，主要是纵波( 在某些野外工作中a s a p 比值增大到1 0 ) 。研究横波的传播速度时， 证明了在许多情况下s h 波和s v 波的传播速度极大地依赖于它们的传播方向。井中三 分量观测表明：横波常呈非线性偏振：s 波的偏振对介质的不均匀性很敏感；决定横 波震动空间偏振的主要因素是界面的空间取向和介质弹性的各向异性【4 】。 1 9 7 2 1 9 7 4 年全苏地球物理勘探方法研究所在盐丘构造地区完成了大量工作。他 们用人工可控方向性震源和按震源的偏振选择波进行地面和井中三分量联合观测。 1 9 7 5 年，西玻利亚地球物理勘探大队也进行过类似的工作；并且从这些研究中得到 了纵波p 和s v 、s h 横波射线速度的特性曲线，也证明了井中转换波p s 的偏振不是固 定的而是沿着垂直剖面变化，在均匀地层中变化平缓，在经过明显界面时变化剧烈， 同时随着波的传播a y a x 比值通常增大。所观测的转换波a y 分量值较大，超过理论 值一个级次，这不仅是由于转换界面的空间位置和波传播路径上介质的性质引起的， 而且还是实际界面处形成的特点所致。研究成果还发现：具有特定偏振的波可能是不 同界面所固有的，而与它们的倾角无关；在转换的条件下强的y 分量出现在界面的附 近。 h p 奥博连采娃从理论上研究了不同类型的纵波、横波和转换波( 反射波、首波、 透过波) 的空间偏振。借助零阶近似射线法研究了在三维介质中求位场的方法，并研 究了不同因素( 界面倾角、界面的曲率，覆盖层的不均匀性、介质弹性的各向异性) 对波的偏振的影响。把倾斜截面反射转换波的空间偏振实验资料和理论的各向异性及 各向异性介质模型资料进行比较说明对后者有利。还发现，横波的偏振可以是很稳定 的，因为它受薄层的影响很大。这些研究指明了利用偏振估计各向同性厚层模型与实 际介质符合程度的良好前景【4 】。 f b 叶戈尔金娜研究了平面倾斜界面对波的偏振的影响，这种影响是波的偏振取 决于界面和入射波的参数，她还研究出根据p 波和p s 波的偏振确定界面参数的方法。 3 第一章前言 这种信息不但可使根据p 波和p s 波的到达时差求得的转换界面深度的资料更可靠， 而且还可以估计在解释时由于不考虑界面倾角而引起的误差。在解决井中任务时地震 波的偏振用于作构造图【4 】。 b 鲁德尼茨基完成了对脉冲波形转换干涉地震振动的偏振与它们的参数关系 的分析，这对在地震记录上识别转换透过波极为重要。 沃尔泽利用波的偏振研究了周期范围在2 到1 0 秒的微震振动的偏振，证明了大 多数有暴风引起的大陆地震台记录的微震是平面偏振振动，偏振平面与微震波传播平 面一致。微震之中，线性偏振小于1 ，这就有了根据微震和地震体波偏振面的不同 设计高灵敏度仪器的方法。在研究微震偏振方面，斯特罗贝奇研究出立体平面的扇形 记录系统。同时采用了各种类型的偏振装置，它们记录全矢量的水平分量，得到方位 记录；还提出了用于三分量地震记录的数学处理的装置【4 】。 1 9 6 9 年到1 9 7 2 年间，苏联科学院大地物理研究所和哈萨克斯坦全苏地球物理勘 探研究所在一起，为了提高复杂结构地震勘探的效果，通过改进三分量观测本身的装 置和技术，在中央哈萨克斯坦的金属矿床上进行垂直地震剖面的三分量观测。在勘察 过程中拟定了三分量测量的新技术和研究地震波偏振的新方法，提出了装置的连续地 震控制的方法、获得基于第一类组合的定向记录和多分量偏振地震记录的方法。提出 并研究了对一个点处介质质点运动方向的调节方向接收法( 第一类p h l l ) 以及波的偏 振对比和偏振一位置对比。所得结果证明偏振用于石油地震勘探方面也会有好的效 果。 1 9 6 7 年苏联科学院大地物理研究所和苏联科学院西玻利亚分院计算中心建立了 偏振对比程序，1 9 7 3 年建立了计算运动轨迹的程序。在1 9 7 4 年又和克拉斯诺达尔石 油地球物理托拉斯一起研究出“偏振 处理资料的自动系统( a c o m ) 。试验性观测所 得结果以及“偏振”a c o m 的利用使得以研究复杂结构介质为目的的有计划的工作 能者手进行1 4 】。 2 0 世纪8 0 年代末期，地震波的偏振被用来增大仪器的有效灵敏度。当信号和干 扰处在相同的频带和相同的视速度范围时，这有着特殊的意义。为此研究出极化滤波 方法，它是按偏振特征选择波的。极化滤波根据给定的常数数值偏振参数来实现，或 者以直接有观测场确定的参数来实现。在后一种情况下指的是自适应滤波，但观测波 场需要借助于第一类y i k 检偏器绘制的偏振地震记录来获得。 2 0 世纪9 0 年代以来，利用偏振一位置对比法进行震相分离得到了快速发展，这 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 主要得益于分析复杂波场的需要以及地震观测系统的改进。偏振位置对比基于综合利 用确定波场空间特性的参数：介质质点运动轨迹和波的传播方向。这里指的是根据振 动的偏振标志在一个点上选择波和根据视速度标志v 在体积中或观测平面上选择波 的综合。这两种选择的能力联合并完全地实现了。这种对比首先对每个波检测其振动 的跟踪分量，然后沿测线或平面追踪这个分量。偏振一位置对比的效果和它的主要特 点与追踪的不是与传统铅垂固定的分量，而是与追踪跟踪分量有关。对于一个给定的 波最大信噪比的空间分量叫做跟踪分量。在选择跟踪分量时，根据所解决的问题和波 场的复杂性，可以采用有不同选择性的极化滤波系统。 1 2 2 国内研究现状 国内对于震相分离的研究起步较晚，主要是对垂直地震剖面利用速度滤波、拉东 变换以及极化滤波进行纵横波的分离，而对于有2 3 个分量的h k 检偏器获得的轮廓 地震记录研究的不多；近年来发展的九分量地震勘探是利用三分量定向矢量的人工震 源激发，三分量检波器接收形成的，由于该信号通常是由人工震源激发的，能量强， 震相很容易分离。 目前的微地震水力压裂监测方法，监测数据通常是由相互正交的非对称三分量检 波器接收的，装置本身的弱点( 水平、垂直分量检波器的频率特性和灵敏度难以保证 一致，大大降低了野外观测资料的质量) 带来了资料处理上的难度：同时由于震源未 知，所记录的水平分量记录与波的到达方向无关，实质上是随机的；在各向异性介质 中，地震波的偏振特性以及传播方向变得异常复杂，很难保证波的到达方向和水平分 量一致，因此还没有针对微地震信号震相分离的完善研究。 1 3 存在的问题 微地震信号由于能量极其微弱，所以通常是在非常短的距离内接收( 大约在6 0 0 米以内，否则会因为能量衰减接收不到) ，因而接收到的初至直达纵波就不可避免的 叠加了其它类型的波，其运动轨迹通常是非线性偏振的，横波的运动轨迹也一样是复 杂的椭圆偏振轨迹，导致拾取的震相初至时间不准；同时由于微地震信号同天然地震 一样，其震源可以位于不同的方向上，再加上接收微地震信号的三分量检波器又没有 严格控制道一致性的技术，所记录的水平分量与波的到达方向无关，实际上是随机的。 这就加重了微地震震相分离的困难。 国外对天然地震信号( 震源未知，这点特征和微地震类似) 的分离识别分离通常是 利用第一类p h h 检偏器( 每个检偏器有2 3 个在空间均匀分布的分量，可以确定所有 5 第一章前言 记录波的偏振特征和偏振参数) 采集得到轮廓地震记录，然后绘制偏振地震记录，通 过波的偏振对比确定各种波的偏振平面，追踪不同波的跟踪分量达到分离不同信号震 相的效果。而微地震资料通常用三分量检波器接收，由于其装置本身的缺点，很难利 用波的偏振地震记录追踪不同波的跟踪分量达到分离震相的目的。如何有效的追踪出 每个波的跟踪分量是本文的重点，也是难点所在。为此，本文在学习偏振位置对比法 震相分离技术的基础上，研究了利用波的第一类方向特性与第二类方向特性相结合的 偏振一位置对比方法追踪每个波的跟踪分量，分离出微地震信号的不同震相。其关键 方法是追踪每个波的跟踪分量。 1 4 研究内容 1 、微地震监测原理及信号特征研究通过分析微地震监测的基本原理，掌握微 地震信号的特征，为更好的处理微地震信号做准备。 2 、检波器定位针对井中检波器在下放的过程中水平分量方位的随机性，利用 野外记录的射孔资料进行水平分量的方位角旋转，进行检波器定位。 3 、频率相干一空间极化滤波相结合的震相分离方法极化滤波时，为了减小非 线性干扰波对偏振参数估计的影响，需要通过频率相干滤波方法消除非极化干扰波。 在频域相干滤波算法设计中，提出左右相干度、循环迭代算法，以达到压制噪音增强 有用信号的目的。在设计极化滤波因子时，分别选取x , y , z 分量作为期望方向，可以 得到三个剩余互补的剖面，最后把这三个剖面叠加在一起，得到了波的跟踪分量的综 合地震记录。 4 、改进的二维滤波与自适应极化滤波相结合的震相分离方法这种偏振位置对 比法是通过综合利用波的偏振和速度的特点达到震相分离的目的；在设计变速二维滤 波时，通过相邻滑动时窗内扫描各个波形的同相轴，实现变速二维滤波，针对短数据 在进行二维m 变换时造成的时空域的混跌和漏频问题，本文利用对时窗的纵横向上 补零充位的方法消除假频以及提高频率波数域的分辨率，减小信号的畸变。然后通过 相邻道的偏振投影互相关搜索每个波的期望方向，进行自适应极化滤波，消除非线性 的干扰波，最后，滤波后的每道检波器的三分量记录分别向期望方向投影，绘制出每 个波的跟踪分量综合地震记录，即可实现微地震信号的震相分离。 5 、理论模型和实际资料的处理通过对模型记录和实际资料的处理，验证本文 算法的正确性。 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第二章微地震监测原理及信号特征 微震监测( m i c r o s e i s m i cm o 疵嘶n g 或m i c r o e a r t h q u a k em o n i t o r i n g ) ，或叫无源地震 ( p a s s i v e s e i s m i c s 或s o u r c e l e s ss e i s m i c s ) ，有时也称三轴地震法( t r i a x i a ls e i s m i cm e t h o d ) 或声发射( a c o u s t i ce m i s s i o n ) 法，指的是利用水力压裂、油气采出，或常规注水、注气， 以及热驱等石油工程作业时引起地下应力场变化，导致岩层裂缝或错断所产生的地震 波，进行水力压裂裂缝作图，或对储层流体运动进行监测的方法1 5 1 。“无源地震 这 一称谓似乎悖理，实际上这一名词是要强调所用的地震波不是常规地震法中人工专门 激发的地震波，而是石油工程作业诱生的地震波。因这种地震是很微弱的，故多称之 为“微震。广义讲石油业界力图利用的微震也包括天然地震中的微小地震，但不包 括地面上人类各种活动及风吹草动等各种扰动引起的微震，像常规地震法一样，这些 扰动是被当作噪音处理的。在对实际监测到的微地震信号进行处理前，有必要对微地 震的发震机理以及微地震信号的特征进行探讨一下，以便更好的进行处理。 2 1 微地震监测原理 水力压裂时，大量高粘度高压流体被注入储层，这样使孔隙流体压力迅速提高。 一般认为高孔隙压力会以两种方式引起岩石破坏。第一，高孔隙流体压力使有效围应 力降低，直至岩石抵抗不住被施加的构造应力，导致剪切裂缝产生；第二，如果孔隙 流体压力超过最小围应力与整个岩石抗张强度之和，则岩石便会形成张性裂缝。水力 压裂作业初期，由于大量的超过地层吸收能力的高压流体泵入井中，在井底附近逐渐 形成很高压力，其值超过岩石围应力与抗张强度之和，便在地层中形成张性裂缝。随 后，带有支撑剂的高压流体挤入裂缝，使裂缝向地层深处延伸，同时加高变宽。这种 加压的张开的裂缝，在它周围的高孔隙压力区引起剪切破裂。岩石破裂时发出地震波。 这时储存在岩石中的能量以波的形式释放出来。容易理解，由于岩石这种破裂规模有 限，释放出的能量很小，这种地震波是很微弱的，震级在o 级以下 5 1 。 尽管石油业界在2 0 世纪7 0 年代初已实际记录到水力压裂诱生微震，而从理论上 证明水力压裂可诱发微震是在8 0 年代初。c p e a r s o n ( 1 9 8 1 ) 利用简单裂缝滑动模型计 算了岩石产生破裂必需的最小孔隙压力增长，利用微震源分布的一维扩散模型计算了 孑l 隙压力分布，并对这种分布进行比较，结果证明，高孔隙压力是能够产生这些微震 的。 2 0 世纪8 0 年代后期以来，特别是近1 0 年来，随着微震观测装备和方法的进步， 7 第二章微地震监测原理及信号特征 微震记录质量越来越高，使人们有可能对水力压裂诱生微震的研究更加深入。人们不 仅可以研究波至时间和极化特征，还深入研究了微震的波形、频谱、能量等，进而计 算和分析了地震矩、震级、地震能量、应力降等震源参数【5 】，探讨震源机制。目前， 关于这类诱生微震的震源机制仍众说纷坛，没有统一看法，下面谈的是其中几种重要 的震源机制理论。 2 1 1 裂缝尖端效应和漏泄效应 根据现场试验的大量证据，大多数研究者认为水力压裂诱生微震是因水力压裂裂 缝附近岩石的剪切破裂引起的( a l b r i g h t ，1 9 8 2 ；d o b e c k i ，1 9 8 3 ；w a r p i n s k i ，1 9 9 4 ) 。岩石中总 是存在岩层层面或节理，以及微小的天然裂隙，或其它低强度的构造，水力压裂诱生 了沿这些薄弱构造的剪切破裂，激发出地震波【5 】。 ( 1 ) 裂缝尖端效应 根据w e s t e r g a a r d 和s n e d d o n 的二维及放射状裂缝周围应力的解析解，可以知道 水力压裂时因孔隙压力的增大，在裂缝尖端附近剪应力明显增大，并在裂缝尖端前引 发一个向外的张应力，因而降低了任意滑动面上的正应力p 。这样，在裂缝尖端附近 区域引起剪切破裂，并发出诱生微震，这就是裂缝尖端效应。 ( 2 ) 漏泄效应 随水力压裂裂缝里的高压流体压力升高，孔隙流体压力值升高，漏泄到岩石天然 裂隙、节理等薄弱构造里，引起剪切滑动，发出微震信号，这就是漏泄的微震效应。 漏泄诱生微震活动区沿整个水力压裂裂缝分布，具有一定长度，并随漏泄扰动向地层 中扩散而变宽。就诱生剪切滑动来讲，漏泄效应比尖端效应更有效【5 1 。 2 1 2 混合破裂机制 现在尽管大多数人认为水力压裂诱生微震是由剪切破裂所致，但仍有一些学者认 为岩石的拉张破裂在诱生微震中发挥了重要作用。w i t h e r s 等( 1 9 9 6 ) 认为，未裂开岩 石的拉张破裂是水力压裂主裂缝产生期间出现的；当保持流体不漏泄，将注入流体带 来的能量储存在系统里，直到再次拉张破裂，注入井附近的地震活动是对岩石扩张破 裂的补偿作用。或因主裂缝网络分叉，在较大裂缝长度上，剪切破裂开始发生，随裂 缝发展，地震活动也向前移动。 水力压裂诱发微震是大量的，有时达每小时数百次，虽然震源机制众说不一，但 有一点是相同的，就是这些微震发生在包围着水力压裂裂缝面的相对较窄的区域内。 因此，测定微震源空问分布区，即确定了裂缝的方位和几何形态，包括裂缝的长度、 8 中国石油大学( 华东) 硕学位论文 高度、宽度、倾向和倾角。 图2 - 1 是微地震监测原理示意图微地震信号一般在井中用有限个三分量检波器 接收，这可以避免地面上的风吹草动以及人的活动带来的噪音干扰的影响：但另一方 面，检波器在井中下放的过程中，会导致各个检波器的水平分量的方位不一致。造成 各个检波器两个水平分量上接收到的微地震信号差异很大；同时，微地震波在地下传 播的过程中也会由于地层的吸收作用，各道的能量会有规律的衰减。 图2 - 1 镊地震监测原理示意图 22 微地震信号的特点 无论是进行微地震信号的震相分离，还是利用微地震信号进行反演源位置，都必 须对微地震信号的特点有深入的了解，才能更加准确的去处理微地震信号。 2 , 2 1 微震的波型 井中观测到的微震波型有体波( 包括p 波和s 波两种) 和导波两类。体波包括直达 波、反射波、折射波，以及沿套管滑行的套管折射波等。其中最重要的是直达波，即 从发震点( 震源) 直接传播到检波器( 包括穿过若干地层分界面后传播到检波器) 被接 收到的微震，它在记录到的微震总数中占绝大多数。其特点是：在三分量检波器记录 上，每个分量上p 波和s 波成对出现