基于时频稀疏性分析法的低信噪比微震事件识别与恢复

微震监测是直观评价压裂过程和压裂效果的有效手段.微震事件识别是微震监测的首要步骤.然而对于低信噪比微震监测数据,常规识别方法很难取得满意效果.基于微震事件在时频域中的稀疏性,本文提出利用Renyi熵值表示微震监测数据的时频稀疏程度,并以时频距离为约束条件,建立以低熵值的道数为判别阈值的目标函数.本文方法能在识别出微震事件的同时,恢复出较为清晰的微震事件.通过数值计算和对实际监测数据的测试,表明该方法对低信噪比的微震监测数据有较好的处理效果.     

基于DIRECT算法的微震震源快速网格搜索定位方法研究

微震监测定位技术的精度及效率是微震监测中的核心技术问题,震源扫描算法作为一种稳定、可靠的方法被广泛用于微震监测定位中,但是在多事件、多参数反演中,其反演效率严重制约其应用.本文将震源扫描算法与DIRECT算法思想结合,提出基于DIRECT算法的微震快速网格震源搜索定位方法,即在求解震源扫描算法目标函数最优解时,采用DIRECT搜索策略,无需划分网格大小,直接搜索目标函数最优解.通过地面及井中微震监测模型测试表明,基于DIRECT算法的微震快速网格震源搜索定位方法比传统的震源扫描算法搜索次数少、计算耗时短、计算精度高,尤其适合大空间内多事件、多参数的震源反演,为水力压裂微震监测过程中大量数据的实时、快速、准确定位提供了可能.     

基于快速模拟退火算法的井中微地震事件定位反演

井中微地震监测技术被广泛应用于非常规油气储层压裂改造监测中,该技术的关键在于有效事件的准确定位.本文以实际测井资料为依据,建立水平层状模型,利用射线追踪模拟并获得微地震事件的传播路径及走时.在模拟退火法机理分析的基础上,引入非常快速算法(VFSA)进行微震事件定位反演,该算法依赖温度的柯西分布状态产生函数,在高温状态下可进行大范围的搜索,在低温状态下只对当前模型附近进行搜索,能够改进退火及抽样过程,提高模拟退火算法的定位效率与精度.最终,将该反演算法运用于实际井中水力压裂微地震事件定位,并描述其造缝空间产状及其发育过程.     

套管井井壁附近地层横波速度径向分布反演

套管外地层受异常地应力、油气开采的影响,在径向上表现出非均质性;采用声波测井可以对该非均质性进行探测,利用偶极子横波测井数据可以对横波速度的径向分布进行反演.本文建立了套管井外地层横波速度径向分层参考模型,采用修正的微扰法计算了该模型的偶极弯曲波频散曲线,建立了横波速度径向分布反演目标函数,采用高斯牛顿法和快速模拟退火法对目标函数进行了求解,得到了套管井外地层横波速度的径向分布.分析了偶极弯曲波频段、套管横波速度对反演结果的影响,对比了高斯牛顿法和快速模拟退火法对反演过程的影响.分析对比结果表明,采用偶极弯曲波激发强度较高的频段与采用全频段的反演结果相近;套管的横波速度准确度越高,反演结果越准确;高斯牛顿法和快速模拟退火法计算精度相同,都可以得到高精度的横波速度径向分布;快速模拟退火法的计算效率略低于高斯牛顿法,但其收敛性对初始值依赖更小,实际处理中应选择快速模拟退火法.     

层状TI介质中微地震定位和各向异性速度结构同时反演

微地震监测被广泛应用于非常规油气资源的水力压裂作业、油藏描绘和水驱前缘监测工程中.微地震定位采用的初始速度模型一般是基于地震测井记录和射孔数据建立,该速度模型的不准确性易引起定位误差.为降低这种定位误差,本文发展了一种微地震定位和各向异性速度结构同时反演的方法.研究对象为1-D的层状TI介质,其中对称轴方向任意.利用改进的分区多步最短路径算法计算qP、qSV和qSH波的到达时间和射线路径,结合共轭梯度法求解带约束的阻尼最小二乘问题.数值模拟结果表明,该算法能同时进行各向异性速度结构模型(每层的Thomsen参数和界面深度)和微震震源参数(空间坐标和发震时刻)的反演,并且对随机噪声不敏感,有利于实际工程应用.     

微破裂向量扫描原理的研发进展

微破裂向量扫描原理是为了适应微震监测的目标特性、恶劣的地表监测环境、和对应用的一般监测要求,而逐步发展起来的.它不得不放弃记录要求较高的传统定位处理方法与可能使很多台站噪声极大的等距等角阵列,使用离散稀疏台网,处理分析完整的空间记录向量.在数学上,它计算各台记录对准各扫描点的向量间的相关性程度;在物理上,则反映了破裂释放能量的分布.选择安静处布设地震台网并在数据处理中去除和压制干扰信号以获得较小振幅的随机记录,是应用向量扫描技术的必要条件.这种条件应当数值化地由地震仪器、地震台网分布、监测环境、与去噪过程判定.一般情况下,为保证监测质量,它放弃振幅较小的纵波,而使用到达地表时携带能量较多的横波,并对扫描计算使用的台站记录附加以不同的权重;为提高性价比和使微震监测成为常规手段,在满足应用必要条件的基础上,它使用一个估计的最小扫描台站数,以及携行布设的最大台站数.利用相关性的概念,它可对速度模型引起的误差进行适度校正.微破裂向量扫描是专门针对微小破裂、三分量浅地表埋设观测、稀疏布设台阵、实时监测并4D处理解释、且考虑了微震多有剪切破裂特性的地震学监测方法;它扩展了传统定位方法的监测范围,能够在地表快速施工并"看到"微破裂,性价比高,可发展成为一种日常生产监测手段.     

基于相对走时计算的地面微地震监测SET定位算法

基于绝对走时计算的地面微地震监测地震发射层析成像(Seismic emission tomography,SET)定位算法的定位精度受地层速度模型的准确性影响很大,速度模型中的误差会使定位结果出现偏差.本文提出了一种基于相对走时计算的地面微地震监测SET定位算法,以克服绝对走时计算对速度模型精度的高度依赖.首先,通过分析走时误差推导了相对走时计算公式.然后,利用该公式对射孔初至进行校正,得到射孔点附近其他待监测网格点的走时.通过数值模拟和实际资料测试,结果表明在基于SET定位算法的前提下,本文提出的相对走时计算方法能得到比绝对走时计算方法更准确的定位结果.     

邻近算法在微地震震源位置和一维速度模型同时反演中的应用

微地震事件的空间分布可以用来监测水力压裂过程中裂缝的发育情况。因此,震源定位是微震监测中重要的环节。震源定位依赖准确的速度模型,而震源位置和速度模型的耦合易导致线性迭代的同时反演方法陷入局部极小值。邻近算法作为一种非线性全局优化算法,能够最大程度地避免陷入局部最优解。本文将邻近算法应用于单井监测的微震定位和一维速度模型同时反演,首先利用邻近算法搜索一维速度模型,再使用网格搜索方法进行震源定位,并根据定位的走时残差产生新的速度模型,最后通过若干次迭代使其收敛到最优解。理论和实际数据结果均表明该方法能够避免局部最优解,得到较为可靠的震源位置和一维速度模型。     

基于单台加速度记录的混合全局优化HVSR反演场地浅层速度结构

利用水平与竖向谱比（HVSR）方法反演场地速度结构是国际上迅速发展的研究领域.HVSR反演计算实质是一个土层场地模型空间搜索的全局优化问题,当模型搜索空间的复杂程度增大时,目前常用的搜索算法收敛速度慢,计算效率较低.本文实现了一种结合遗传和模拟退火方法优点的混合全局优化HVSR反演算法,通过理论模型和竖向台阵实测数据的检验,表明该算法能获得很好的反演效果,较好地解决了蒙特卡罗方法收敛速度慢,遗传算法收敛早熟和模拟退火算法搜索效率低的问题.本文在此基础上讨论了单台加速度S波记录用于场地速度结构HVSR反演的适用性,为基于单个地震台的地震观测记录反演浅层速度结构提供了一种高效且较为准确的反演方法.     

基于稀疏分布特征的井下微地震信号识别与提取方法

井下微震监测获得的地震记录往往包含大量的噪声,记录信噪比很低.有效地震信号的识别与提取是进行后续地震定位等工作之前需要优先解决的问题.经过研究发现,井下水压裂微地震信号具有稀疏分布的特征,而井下环境噪声则具有更多的Gaussian分布特征.为此,本文提出将图像处理领域适宜于稀疏分布信号降噪处理的稀疏码收缩方法应用于井下微震监测数据处理.为解决需要利用与待处理数据中有效信号成分具有相似分布特征的无噪信号序列估算正交基以及计算效率等问题,将原方法与小波变换理论相结合.即通过优选小波基函数作为正交基进行小波变换将信号分解为不同级的小波系数,利用稀疏码收缩方法中对稀疏编码施加的非线性收缩方式作为阈值准则对小波系数进行改造.通过多方面的数值实验证明了该方法在处理地震子波及井下微地震信号方面准确可靠.含噪记录经过处理后有效地震信号的到时、波形、时频谱特征等均能得到良好的识别和恢复.并且该方法具有很强的抗噪能力,当信噪比低至-20~-30db时,仍然能够发挥作用.在处理大量实际井下微震监测数据的过程中,面对多种复杂情况,本方法展现出了计算效率高、计算结果可靠、应用简单等优势,证明了其本身具有实际应用价值,值得进一步的研究和推广.     

水力压裂对速度场及微地震定位的影响

水力压裂是页岩气开发过程中的核心增产技术,微地震则广泛用于压裂分析、水驱前缘监测和储层描述.微地震反演过程中,用于反演的速度模型往往基于测井、地震或标定炮资料构建,忽略了压裂过程中裂缝及孔隙流体压力变化对地层速度的影响.本文首先基于物质守恒、渗流理论和断裂力学模拟三维水力压裂过程,得到地下裂缝发育特征和孔隙压力分布.继而根据Coates-Schoenberg方法和裂缝柔量参数计算裂缝和孔隙压力对速度场的影响,得到压裂过程中的实时速度模型.最后利用三维射线追踪方法正演微地震走时和方位信息,并采用常规微地震定位方法反演震源位置及进行误差分析.数值模拟结果表明,检波器空间分布影响定位精度,常规方法的定位误差随射线路径在压裂带中传播距离增加而变大,且不同压裂阶段的多点反演法与单点极化法精度相当.     

改进的模拟退火算法及其在叠前储层参数反演中的应用

快速模拟退火算法中,要求扰动后新的模型参数必须在取值范围内,对此,人们通常采用两种方法:(1)反复扰动直到新的模型参数满足要求;(2)当新的模型参数超过最大值时,参数等于最大值;新的模型参数小于最小值时,参数等于最小值.研究发现,方法1在计算过程中增加了寻找新模型参数的时间开销,计算效率明显降低;方法2当目标函数在边界或边界的小邻域存在多个极小值时,在有限的时间内,其陷入局部极小的概率大大增加,优化效果明显下降.本文在前人研究的基础上提出了改进的模拟退火算法,同时利用改进的算法反演了地层泊松比、纵波速度和密度.结果表明,改进的算法加快了模拟退火算法的收敛速度,提高了模拟退火算法的效率和精度.     

耦合敏感参数实时识别的新型数据同化算法研究——以湖泊藻类模拟为例

数据同化是提升复杂机理过程模型精度的关键技术之一,而湖泊藻类模型的敏感参数具有随时间动态变化的特征,导致数据同化过程中无法精准更新某一时段的敏感参数,影响数据同化的模型精度提升效果.针对上述问题,本研究耦合了参数敏感性分析与集合卡尔曼滤波,研发了一种能够实时识别模型敏感参数的新型数据同化算法;为验证研发算法的效率,依托巢湖的高频水质自动监测数据,测试算法对藻类动态模型的精度提升效果.测试结果表明：研发算法能够精准跟踪模型敏感参数的动态变化,并根据监测数据实时更新模型敏感参数,实现了水质高频自动监测数据与藻类动态模型的深度融合,藻类生物量模拟精度提升了55%,即纳什系数（NSE）从0.49提升到0.76,模拟精度提升效果也显著优于传统数据同化算法（NSE=0.63）.研发算法可应用于其它水生态环境模型的数据同化,为水生态环境相关要素的精准模拟预测提供关键技术支撑.     

三维地震与地面微地震联合校正方法

由于地面微地震监测台站布设在地表,会受到地表起伏、低降速带厚度和速度变化的影响,降低了微地震事件的识别准确度和定位精度,限制了地面微地震监测技术在复杂地表地区的应用.因此,将三维地震勘探技术的思路引入到地面微地震监测中,提出了三维地震与地面微地震联合校正方法,将油气勘探和开发技术更加紧密地结合在一起.根据三维地震数据和低降速带测量数据,通过约束层析反演方法建立精确的近地表速度模型,将地面微地震台站从起伏地表校正到高速层中的平滑基准面上,有效消除复杂近地表的影响.其次,根据射孔数据和声波测井速度信息,通过非线性反演方法建立最优速度模型,由于已经消除复杂近地表的影响,在进行速度模型优化时不需要考虑近地表的影响,因而建立的速度模型更加准确.最后,在精确速度模型的基础上,通过互相关方法求取剩余静校正量,进一步消除了复杂近地表和速度模型近似误差的影响.三维地震与地面微地震联合校正方法采用逐步校正的思路,能够有效消除复杂近地表的影响,提高微地震数据的品质和速度模型的精确度,保证了微地震事件的定位精度,具有良好的应用前景.     

基于Context模型的Shearlet变换地面微地震随机噪声压制

地面微地震监测采集到的微地震信号通常能量微弱,信噪比低,如何提高微震数据的信噪比是数据处理的难题.Shearlet变换是一种新型的多尺度几何分析方法,具有敏感的方向性和较强的稀疏表示特性,能起到很好的随机噪声压制效果.由于地面微震数据的有效信号大多被淹没在噪声中,基于传统阈值的Shearlet变换（the traditional threshold-based Shearlet transform TST）只考虑到尺度或方向的阈值,在去噪过程中会过度扼制有效信号系数,造成有效信号能量损失.因而,本文建立Context模型,得到基于Context模型的Shearlet变换（the Context-model-based Shearlet transform CMST）方法,改进传统Shearlet阈值方法的不足.我们通过所建立的Context模型将能量相近的各方向系数划分为同一组,并分组估计阈值,分别处理各部分系数,达到微弱同相轴有效恢复的目的.通过TST及CMST的模拟实验与实际地面微震记录处理结果对比可知,本文方法在低信噪比条件下比对比方法更加有效地恢复地面微震数据的微弱信号,随机噪声压制效果明显,在-10 dB条件下,提升信噪比18.3741 dB.     

微地震及其监测综述——走向基于低信噪比的微破裂向量扫描

微地震是岩石的微小破裂.微地震的另一个重要特性是剪切破裂或具有很强的剪切破裂成分.通常人们感兴趣的是监测与生产生活密切相关的微震活动，为环保、安全、提高生产效率、以及一般地学科研提供参数和建议.观测微震信号，以及对其实施的数理、地质、工程等的分析研究，构成整个微震监测系统.对此系统的每一步骤，从观测仪器研制、微震台网布设、微震记录的整理和去噪、微震或其释放能量分布的定位，到分析微震时空活动规律，以及这些规律与监测目标之间关联的解释，都必须从上述微震的两个特性出发.微震监测照搬常用勘探地震学和一般小震以上的天然地震学软硬件是不恰当的．微震监测方法的研发必须严格服从地震学基本原理并进行大量实验．本文对微震及其监测进行了一般综述，说明了由于微震的两个重要特性及其监测的艰难程度，也由于微震监测成为伴随生产生活的性价比较高的常规手段的需求，而不得不研发基于微小信噪比数据记录、实施地面监测的微破裂向量扫描技术，较详细地描述了其原理、微震仪器、台网布设原则、去噪、分析解释原则、和应用中所得到的重要分析结论，以及目前存在的技术问题和展望．     

地震静校正全局最优化问题的求解

针对地震静校正存在的非线性和多参数性等问题，本文提出了一种全局优化的剩余静校正方法.在模型更新规则上，把模拟退火方法和均匀优化设计方法结合在一起，使模型的更新更为合理，从而加快了搜寻全局最优解的速度.同时提出了模型的不同分量的温度参数和退火过程的选取方式，把温度参数的选取与地震剖面的能量联系起来，使温度参数的选取具有自适应的特点.该方法克服了常规模拟退火方法所具有的寻优空间不均匀以及退火参数需通过多次试验选取的缺陷.通过实际地震资料的计算证明，本文提出的方法对地震静校正问题合理而有效.     

基于卡尔曼滤波的自然电场数据时序反演

自然电场法常用于环境与工程等领域的监测作业,但各时刻观测数据往往单独反演解释.为了充分利用时序数据间的关联信息,提高监测数据的反演解释可靠性,提出基于卡尔曼滤波的自然电场监测数据时序反演方法.根据达西定律和阿尔奇公式建立污染物在孔隙介质中的运动扩散的动态地电模型,作为用于构建卡尔曼滤波的状态模型.而卡尔曼滤波的观测模型则通过常规的自然电场法正演获得.在建立状态模型和观测模型的基础上,构建起卡尔曼滤波递归,将地电模型演化信息与自然电场观测数据进行信息融合,实现自然电场监测数据的时序反演.加入噪声的自然电场模拟数据测试表明时序反演算法具有较好的鲁棒性,对噪声不敏感.沙槽物理实验监测数据的计算测试也同样证明时序反演能有效处理监测数据,实现对动态模型的准确重构.     

广义线性反演初至折射静校技术在金属矿区的应用

在复杂地表地区,近地表速度构造模型的确定在地震资料处理和成像过程中是一个至关重要的工作.针对传统方法只能解决静校正中的部分问题,精度不高,本文采用的广义线性反演折射法,利用初至时间对大量数据进行统计,用交互、迭代的方法计算静校正量.该法在土屋斑岩铜矿区的应用,表明在提高信噪比方面比较传统方法有明显的提高.     

基于无迹卡尔曼滤波的新安江模型实时校正方法

通过利用实时水文观测数据对洪水预报模型进行校正,可增加流域洪水预报的实时性和精确度.本文讨论了水文模型状态变量选取对滤波效果的影响,并给出了状态变量选取原则.在集总式新安江模型的基础上,结合状态变量选取原则,应用无迹卡尔曼滤波技术构建了新安江模型的实时校正方法.方法应用于闽江邵武流域洪水预报的计算结果表明,采用无迹卡尔曼滤波方法后,不仅能够直接校正模型状态,同时也能有效地提高模型预报精度,适合应用于实际流域洪水预报作业中.